基于狀態監測的旋轉噴射泵故障診斷分析與對策

王得勝，趙柳鑒，洪銘江，陳立軍，張 強

（中國石油西南油氣田分公司天然氣凈化總廠，重慶 400021）

0 引言

余熱鍋爐給水泵是天然氣凈化廠尾氣處理裝置中的關鍵設備，泵的型式為旋轉噴射泵，旋轉噴射泵亦被稱為皮托管泵，簡稱旋噴泵（下同），屬于離心泵的一種。由于旋噴泵和高速泵、往復泵等都屬于流量小、揚程高的低比轉速泵，主要運用于化工行業，且在近幾年得以快速發展[1]。旋噴泵適合小流量、高揚程介質輸送，在天然氣凈化廠中壓給水系統廣泛使用。旋噴泵采用沖壓滯止增壓原理，顛覆原有流體高壓輸送設備的設計思路，通過滯止增壓，液體從入口進入轉子腔內，在離心力作用下進入接收管，通過接收管將速度能轉化為平穩、無脈動的壓力能從出口管排出。旋噴泵主要由主軸、泵體、轉子、接收管、泵蓋、機械密封、進出水體等部分組成。旋噴泵中的接收管通過螺絲固定，是旋噴泵中的關鍵元件，其結構包括管嘴、直管段和擴散段，其獨特設計可提高動能轉化率，盡可能降低動能損失，提高泵的工作效率。

中國石油西南油氣田分公司天然氣凈化總廠忠縣分廠尾氣處理裝置余熱鍋爐給水泵型式為旋噴泵，具有小流量、高揚程、流量—揚程曲線平緩等特點。泵結構如圖1 所示，旋噴泵內只有兩個基本部件：一個旋轉的轉子和一個固定的接收管，泵及其鋼制基座安裝在撬裝基礎上（圖2）。

圖2 余熱鍋爐給水泵安裝現場

余熱鍋爐給水泵、電機參數（2020 年10 月安裝投用）：泵型號：RP4007S-3.63/310，流量：3.63 m3/h，出口壓力：4.0 MPa，電機型號：YBBP-200L1-2WF1，功率：15.6 kW，轉速：3900 r/min。

2 旋噴泵常見故障

旋噴泵相對其他離心泵工作壽命更長，其簡單結構也保證了設備出現故障的概率較低，但是在實際使用過程中同樣存在動設備常見故障，其中常見的故障表現主要為動設備軸承處測得的振動數值超標。

引發旋噴泵振動過大的主要原因可以從兩個方面進行分析，一是工藝運行方面，二是機械本身部件方面。

2.1 工藝運行

（1）旋噴泵屬于離心泵的一種，在使用過程中仍然會受到氣蝕問題的影響，尤其是在鍋爐給水系統中使用，泵受介質變化的影響較大，當鍋爐給水中夾帶蒸汽量較多時，在泵進口處造成壓力不足，低于旋噴泵最小壓力值時，會造成旋噴泵的氣蝕。

（2）在鍋爐給水系統中有凝結水回用時，設備、管線保溫產生的凝結水夾帶雜質進入給水系統，這些雜質主要包括鐵銹，以及可能出現的夾套管破裂隨之而來的主管介質（例如硫磺顆粒等），這些雜質顆粒進入旋噴泵，高速旋轉的噴射泵會產生明顯的磨損，局部配合間隙過大會導致內部構件受力不均，產生動不平衡，導致泵出現振動數值超標。

2.2 機械本身部件

旋噴泵結構簡單，但是可能導致泵振動數值超標的部件仍然存在，如軸承、轉子、聯軸器等，其中，軸承故障最為常見。一是軸承質量差、安裝不到位、潤滑不良導致的軸承運行狀態不佳，進而引發泵的振動超標，更嚴重的是，因為軸承故障導致的泵振動超標若沒有及時發現，軸承損壞后與軸抱死，軸承內圈與主軸發生粘連，將導致主軸報廢。二是轉子動不平衡導致的振動超標，這種現象在泵安裝使用的早期并不常見，在泵運行3～4 年，或者運行環境較差，不足1～2 年，即有可能出現泵轉子動不平衡現象。旋噴泵進行解體大修時，一般會進行旋噴泵轉子動平衡校驗。旋噴泵的轉子與普通離心泵轉子相比更加復雜，因此，在實際檢修過程中，旋噴泵轉子動平衡試驗也較為復雜。三是泵與電機之間的聯軸器對中度差，包括聯軸器減振圈或者是膜片式聯軸器破損等問題，均會導致泵與電機振動速度超標。

3 頻譜分析

頻譜分析功能指的是安裝在動設備軸承處的振動監測探頭在獲取振動信息后傳至振動監測系統平臺，平臺將獲得的振動壓電信號轉化為頻譜信號，即可對頻譜圖進行分析，對動設備可能存在的潛在故障進行診斷，及時采取措施消除設備故障。

通過進行轉動設備振動監測，繼而進行故障診斷，查明轉動設備故障的主要方法為演繹推理，通過經驗對每類故障的典型特征進行收集分類，形成故障庫，用現場出現的設備故障的具體特征與故障庫中的典型故障特征進行比較、分析，可以采用排除法進行篩查，根據故障的具體振動部位、性質和頻譜特征做出綜合判斷。

用于振動故障判斷的演繹推理方法有正向和反向推理兩種形式，在實際使用過程中，兩種形式的具體使用是靈活多變的，有時單獨使用，有時合并使用。

3.1 反向推理診斷分析

反向推理是根據振動頻譜的特征得出導致振動異常的原因，是由目標結果到原因的推理。當轉動設備測出的振動頻譜特征與典型故障頻譜特征符合時，推理過程中只要發現實際頻譜特征與典型故障頻譜特征是符合的，即可進行判斷確診。比如，知道某特定特有故障會導致電機出現電源頻率的2 倍頻，那么當在電機上發現電源頻率的2 倍頻，即可以得出電機存在故障的結論。

反向推理的理論要求不高，比較容易被技術管理人員掌握，在進行簡單轉動設備故障判斷效率較高，應用較多，但是對結構復雜、故障類型較多的轉動設備進行故障診斷時，存在著故障頻譜疊加的情況，會給分析人員帶來較多的干擾，準確性較低。比如，角度不對中、不平衡、松動等故障都會導致轉頻的1 倍頻振動增大，表現出實際故障和典型頻譜特征無法一一對應，導致反向推理無法得出較為準確的故障診斷。

3.2 正向推理診斷分析

正向推理需要充分運用排除法，對分析人員的專業性要求較高，對現場出現的設備故障，要明確可能出現的故障，首先縮小故障范圍，然后根據人員經驗，將現場實際故障頻譜與引起故障的全部可能原因進行比對，運用排除法逐個篩查頻譜特征，最終診斷結果限定在最后留下來的不能排除的故障原因中。同時，在診斷過程中，最終的診斷結果可能有多個不能排除的原因，這些原因需要現場技術管理人員去進行實地排除。比如，當發現現場某結構形式為柔性支撐的多級離心風機振動較大，且頻率成分主要是1 倍頻時，通過振動趨勢發現振動在一段時間內逐漸升高，且垂直方向比水平方向增大明顯，說明振動為定向振動，然后通過相位比較，確認水平、垂直相位差接近反相，可能是基礎剛度不足，也有可能是轉子不平衡，需要進一步分析排除，現場進行動平衡校驗后將診斷結果縮小為基礎支撐結構松動，從而得到了較為準確的結論。

正向推理在實際使用過程中也運用了反向推理的思維，兩種思維方式的共同運用，可以提高轉動設備故障診斷的精準度。

4 余熱鍋爐給水泵故障案例分析

4.1 問題描述

泵運行過程中，通過手持測振儀測得的泵振動速度值如表1 所示。表1 中，泵和電機驅動端水平振動值均超出標準值（4.5 mm/s），垂直振動數值均優于標準值，與常見的軸承故障導致的軸承處垂直水平振動數值均超標的現象不同。

表1 余熱鍋爐給水泵泵及電機軸承處振動值 mm/s

4.2 原因分析

振動是影響泵壽命及可靠性的重要因素，泵振動情況是評價其性能的重要指標。近年來，國內外專家對振動機理、振動監測分析系統及信號處理方法進行了大量研究[2]。該泵出現水平方向振動數值超標情況后，對泵和電機聯軸器對中情況以及軸承運行情況進行檢查，對中偏差為0.03 mm（標準值為≤0.05 mm），軸承運行平穩，無異常摩擦聲，排除聯軸器對中度差和軸承本身機械故障。在無法使用常規手段進行故障診斷后，采用手持頻譜分析儀進行頻譜分析，分析結果見表2，其中，1f 表示1 倍頻，依此類推。

表2 泵、電機各測點頻譜分析結果

從表中數據分析得出：①泵驅動端加速度略高，設備整體呈水平振動高、垂直振動低的特點；②各點水平方向振動均以1 倍頻為主要成分。電機兩端的水平、垂直方向1 倍頻相位差約為90°，泵驅動端水平、垂直方向1 倍頻相位差約為90°，非驅動端的水平、垂直方向1 倍頻相位差約為0°。

分析原因如下：①從泵和電機僅水平方向振動速度存在超標現象，且1 倍頻出現明顯的峰值，存在兩種可能故障，一是電機地腳支撐面不平，或支撐剛度不足、不均，導致電機與泵水平方向振動較高。二是轉子動平衡差，需進行動平衡校驗；②轉子動平衡檢驗結果說明：在上述現象出現后，對可能存在的動平衡故障問題進行解決。首先單試電機，電機振動速度正常，排除電機轉子動不平衡問題。隨即拆除泵轉子，進行動平衡試驗，最終結果為轉子動平衡為G6.3 級，仍符合廠家技術規范要求，排除轉子動平衡故障。

4.3 解決措施

由于該旋噴泵轉速較高（3900 r/min），同時安裝在撬裝基礎上，基礎支撐剛度明顯不足，因此，泵在運行過程中出現泵和電機水平方向振動偏高的現象。相應的處理措施是對泵基礎進行整改。

泵基礎整改后如圖3 所示。整改后，泵端最大水平振動數值由6.96 mm/s 降至2.6 mm/s，電機端最大水平振動數值由7.10 mm/s降至1.2 mm/s，均符合標準要求且處于良好狀態，通過將撬裝基礎改為混凝土基礎，提高了泵的基座強度，解決了振動超標故障。

圖3 余熱鍋爐給水泵基礎整改后現場

5 結束語

對于高轉速泵的安裝應充分考慮基礎剛度的影響，基礎剛度不足對泵的影響較大，且具有水平方向振動明顯偏高的現象，因此高轉速泵不適于安裝在撬裝基礎上，若必須安裝在撬裝基礎上，應采取相應的加固措施。