冷凝液泵開(kāi)啟出口閥振動(dòng)高故障分析與處理

羅偉雄，石寬寬，馮 寶，劉長(zhǎng)鑫

(1. 海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600；2.中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

0 引 言

中海石油華鶴煤化有限公司(簡(jiǎn)稱華鶴煤化)300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素裝置于2015年底建成投產(chǎn)，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的大機(jī)組主要有合成氨裝置合成氣壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)及尿素裝置CO2壓縮機(jī)，其中，合成氣壓縮機(jī)為日本三菱重工制造，合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)為抽汽冷凝式，進(jìn)入汽輪機(jī)的高溫高壓蒸汽做功后被表冷器冷凝成約51 ℃的冷凝液，經(jīng)冷凝液泵A/B輸送至公用工程系統(tǒng)的混床處理后重新利用。實(shí)際生產(chǎn)中，冷凝液泵B啟動(dòng)后，當(dāng)其出口閥開(kāi)啟到一定開(kāi)度后，泵體出現(xiàn)振動(dòng)迅速增大的現(xiàn)象，故冷凝液泵B一直處于備用狀態(tài)，檢修人員曾反復(fù)進(jìn)行過(guò)各種檢查及處理，均未能消除故障；后經(jīng)技術(shù)人員不懈努力，分析冷凝液泵B的頻譜圖，結(jié)合其故障現(xiàn)象及與冷凝液泵A進(jìn)行對(duì)比，找到了其異常振動(dòng)的原因，并徹底消除了故障，使冷凝液泵B能夠正常投運(yùn)。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 設(shè)備概況

華鶴煤化合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)配套冷凝液泵由大連蘇爾壽泵及壓縮機(jī)有限公司制造，共有2臺(tái)，正常情況下一開(kāi)一備，為常見(jiàn)的單級(jí)單吸懸臂式離心泵，型號(hào)為ZF40-2315，揚(yáng)程113 m、汽蝕余量2.19 m，流量25.3 m3/h，轉(zhuǎn)速2 969 r/min，配套電機(jī)功率35 kW。冷凝液泵輸送介質(zhì)為表冷器后的冷凝液，冷凝液泵殼體和泵蓋均為碳素鑄鋼材質(zhì)，葉輪和軸為馬氏體不銹鋼材質(zhì)，驅(qū)動(dòng)側(cè)為2個(gè)背靠背安裝的角接觸球軸承，葉輪側(cè)為圓柱滾子軸承，可軸向熱膨脹；軸承箱驅(qū)動(dòng)側(cè)安裝有1臺(tái)冷卻風(fēng)扇對(duì)軸承箱進(jìn)行冷卻，軸承箱兩側(cè)油封采用銅質(zhì)迷宮密封，軸端密封為普通型機(jī)械密封。

2 故障現(xiàn)象

冷凝液泵A(簡(jiǎn)稱A泵)運(yùn)行過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)、溫度及噪音正常，工藝參數(shù)如流量、壓力也符合要求，一直以來(lái)均無(wú)異常現(xiàn)象。冷凝液泵B(簡(jiǎn)稱B泵)則出現(xiàn)振動(dòng)異常故障，工藝操作人員按程序啟動(dòng)B泵，不開(kāi)啟出口閥狀態(tài)下，泵體的垂直和水平振動(dòng)速度均不超過(guò)1.6 mm/s，但按操作規(guī)程繼續(xù)緩慢打開(kāi)出口閥后，泵體隨即開(kāi)始出現(xiàn)振動(dòng)增大，出口閥開(kāi)至一半時(shí)，泵體驅(qū)動(dòng)側(cè)水平振動(dòng)速度已達(dá)9 mm/s以上(以下振動(dòng)數(shù)據(jù)表述均為驅(qū)動(dòng)側(cè)水平振值)，B泵輸送的流量及壓力均符合工藝要求，電機(jī)振動(dòng)狀況及運(yùn)行參數(shù)均正常。據(jù)了解，幾年來(lái)B泵已經(jīng)過(guò)多次檢修處理，均未能消除振動(dòng)異常故障，其振動(dòng)烈度為《機(jī)械設(shè)備振動(dòng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》第二類(中型機(jī)器15～75 kW)D級(jí)不合格狀態(tài)[振動(dòng)烈度分級(jí)：A級(jí)(良好)，振動(dòng)速度0～1.12 mm/s；B級(jí)(允許)，振動(dòng)速度1.12～2.80 mm/s；C級(jí)(較差)，振動(dòng)速度2.80～7.10 mm/s；D級(jí)(不合格)，振動(dòng)速度7.1～71.0 mm/s][1]，由于不滿足設(shè)備運(yùn)行要求，B泵一直作為緊急備用設(shè)備，正常生產(chǎn)情況下均是A泵運(yùn)行，由此A泵只能在合成氨裝置計(jì)劃停車時(shí)才能同期安排計(jì)劃?rùn)z修，這種不正常狀況已持續(xù)了幾年，無(wú)疑給合成氨裝置的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

3 原因分析

泵體振動(dòng)大是懸臂式離心泵最常見(jiàn)的故障之一，泵體振動(dòng)大有各種各樣的原因，常見(jiàn)的原因有軸系對(duì)中找正超差、電機(jī)座不平或電機(jī)支腳不平、葉輪不平衡、軸彎曲、軸承損壞等。華鶴煤化檢修人員曾嘗試過(guò)各種處理辦法，包括檢查軸彎曲度、檢查泵進(jìn)/出口管道及冷卻器是否堵塞、基礎(chǔ)重做及進(jìn)/出口管道重新配管以消除管道應(yīng)力等，均未能有效解決B泵振動(dòng)大故障。

在經(jīng)過(guò)更換配件等各種處理未能有效解決故障后，技術(shù)人員使用新到的頻譜分析儀采集B泵振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并重新梳理故障現(xiàn)象。總結(jié)與梳理出B泵故障現(xiàn)象四個(gè)方面的重要信息：① 工況相同的A泵自運(yùn)行以來(lái)未曾發(fā)生過(guò)振動(dòng)異常故障；② B泵在未開(kāi)啟出口閥時(shí)振動(dòng)正常，振動(dòng)速度很小，只有1.2 mm/s；③ B泵啟動(dòng)后出口閥開(kāi)啟1/5開(kāi)度時(shí)即開(kāi)始出現(xiàn)異常振動(dòng)，出口閥開(kāi)至一半時(shí)振動(dòng)速度達(dá)9 mm/s以上；④ 頻譜分析儀采集的頻譜顯示，大約150 Hz、3X(3倍頻)處振動(dòng)有明顯響應(yīng)且占絕對(duì)主導(dǎo)地位，其他倍頻很小。

綜合上述信息進(jìn)行深入分析：① 工況相同的A泵從未發(fā)生過(guò)振動(dòng)異常故障，表明工藝設(shè)計(jì)、操作程序及工藝參數(shù)等方面不是造成B泵振動(dòng)大的原因，如入口壓力、入口流量、介質(zhì)溫度，包括為排除液體阻力過(guò)大致汽蝕的可能性等曾拆卸過(guò)B泵入口過(guò)濾網(wǎng)，由此可排除工藝方面造成B泵振動(dòng)大的可能；② B泵在未開(kāi)啟出口閥時(shí)振動(dòng)是正常的，振動(dòng)速度很小，只有1.2 mm/s，表明B泵不存在軸彎曲等機(jī)械方面的問(wèn)題，包括葉輪不平衡、軸承損壞、零件松動(dòng)及對(duì)中不良等，這是因?yàn)闄C(jī)械損壞及缺陷是永久性的，只要泵啟動(dòng)起來(lái)，振動(dòng)故障就會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，甚至是日益惡化的；③ B泵開(kāi)啟出口閥1/5開(kāi)度時(shí)即開(kāi)始出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，出口閥開(kāi)至一半時(shí)振動(dòng)速度達(dá)9 mm/s以上，對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象的分析是重要的也是較難的，但也有蛛絲馬跡可尋，開(kāi)啟出口閥意謂著打開(kāi)流體通道，B泵開(kāi)始輸送介質(zhì)，介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了振動(dòng)大現(xiàn)象，而關(guān)閉或關(guān)小出口閥振動(dòng)馬上變小，為此也曾對(duì)B泵進(jìn)/出口管道的堵塞情況、泵出口止逆閥與進(jìn)/出口閥是否損壞及卡澀進(jìn)行過(guò)檢查，均正常，故可排除這些缺陷因素干擾了液體的流動(dòng)而致B泵振動(dòng)大的可能；④ 頻譜分析儀采集的頻譜顯示，在大約150 Hz、3X處振動(dòng)分量響應(yīng)明顯且占絕對(duì)主導(dǎo)地位，其他倍頻很小，將B泵振動(dòng)頻譜圖與機(jī)械故障四種典型頻譜圖[1]進(jìn)行對(duì)比，振動(dòng)頻譜圖中3X很明顯，與機(jī)械故障典型圖譜的四種情況--不平衡頻譜圖(1X主導(dǎo))、不對(duì)中頻譜圖(2X主導(dǎo)的同時(shí)明顯伴隨1X和3X)、軸彎曲頻譜圖(1X主導(dǎo)的同時(shí)明顯伴隨2X)、零件松動(dòng)頻譜圖(2X主導(dǎo)的同時(shí)明顯有1X、3X和0.5X伴隨)有明顯不同，由此葉輪不平衡、對(duì)中不良、軸彎曲及零件松動(dòng)引起振動(dòng)大的可能可以排除。

進(jìn)一步分析與探討，B泵啟動(dòng)后開(kāi)啟出口閥出現(xiàn)振動(dòng)異常增大現(xiàn)象，頻譜分析儀采集到的故障響應(yīng)頻率約150 Hz，B泵工頻為2969/60=49.48 Hz；冷凝液泵葉輪為3葉片結(jié)構(gòu)形式，葉輪通過(guò)頻率為葉片數(shù)×工頻，即B泵葉輪通過(guò)頻率為3×49.48=148.45 Hz，而150 Hz為B泵振動(dòng)的3X，3X處的振動(dòng)速度達(dá)2.2 mm/s，約為總振動(dòng)速度4.421 9 mm/s的1/2。由此可以確定，B泵異常振動(dòng)與葉輪有關(guān)，降低葉輪通過(guò)頻率即3X的振值，即能消除B泵振動(dòng)大故障。

葉輪通過(guò)頻率振動(dòng)是流體機(jī)械流道內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)所誘發(fā)的高頻振動(dòng)，其頻率是整圈葉片數(shù)與轉(zhuǎn)速頻率的乘積，即每個(gè)葉片通過(guò)流道突變或不連續(xù)處就產(chǎn)生一次壓力脈動(dòng)，如果流道有多個(gè)突變或不連續(xù)處，則可能產(chǎn)生葉片通過(guò)頻率的多倍頻振動(dòng)。對(duì)于普通離心泵來(lái)說(shuō)，蝸殼上的蝸舌就是一個(gè)流道的突變，葉輪上的葉片每經(jīng)過(guò)蝸舌就產(chǎn)生一次振動(dòng)，B泵葉輪上有3個(gè)葉片，每轉(zhuǎn)一圈就會(huì)產(chǎn)生3次振動(dòng)即3X，3X振動(dòng)與葉輪上的葉片與蝸舌間隙大小有關(guān)。通過(guò)這些分析，技術(shù)人員認(rèn)為B泵可能存在葉輪直徑過(guò)大而致葉片與蝸舌間隙過(guò)小，一旦B泵開(kāi)啟并打開(kāi)出口閥，液體流動(dòng)過(guò)程中就出現(xiàn)3X振值增大的異常現(xiàn)象。于是，提議在合成氨裝置停車大修時(shí)同時(shí)解體檢查A泵與B泵，比較2臺(tái)冷凝液泵葉輪直徑的大小。

4 故障處理

據(jù)以上分析結(jié)論，2022年7月華鶴煤化合成氨裝置計(jì)劃停車大修期間，2臺(tái)冷凝液泵同時(shí)進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)A泵與B泵的葉輪直徑確實(shí)存在不同--A泵葉輪直徑308 mm，B泵葉輪直徑315 mm(比A泵大7 mm)，2臺(tái)泵蝸殼基圓約φ325 mm；A泵葉片與蝸舌間隙8.5 mm，B泵葉片與蝸舌間隙為5.0 mm，兩者相差3.5 mm。這就是A泵運(yùn)行時(shí)振動(dòng)正常、而B(niǎo)泵運(yùn)行只要開(kāi)啟出口閥振動(dòng)就異常增大的原因了。

B泵重新安裝加工直徑為308 mm的葉輪后，啟動(dòng)B泵并打開(kāi)出口閥，經(jīng)測(cè)量，其振動(dòng)速度降至約3.9 mm/s(原最大值超過(guò)9 mm/s)，但仍未達(dá)到《機(jī)械設(shè)備振動(dòng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》第二類(中型機(jī)器15～75 kW)中的B級(jí)允許范圍內(nèi)(振動(dòng)速度1.12～2.80 mm/s)。為將B泵振值降至良好范圍，特別是當(dāng)前已找到了故障處理方向，決定繼續(xù)進(jìn)行處理，以徹底消除故障。B泵當(dāng)前出口壓力0.75～0.80 MPa，剛好滿足工藝要求，不能通過(guò)進(jìn)一步減小葉輪直徑的方法來(lái)增大葉片與蝸舌間的間隙了，當(dāng)前B泵葉片與蝸舌間隙為8.5 mm，經(jīng)查《石油、石化及天然氣工業(yè)用離心泵(API610-2010)》(第11版)中的規(guī)定[2]，對(duì)于蝸殼式泵，葉片與蝸舌間隙至少為葉輪半徑的6%，即最小值應(yīng)為308÷2×6%=9.24 mm，而經(jīng)測(cè)量蝸舌厚度為4.1 mm，于是，決定采用砂輪機(jī)打磨的方式適當(dāng)減小B泵蝸舌厚度約1 mm，將B泵葉片與蝸舌間的間隙調(diào)整為9.5 mm左右；同時(shí)，對(duì)照檢修A泵時(shí)的照片，發(fā)現(xiàn)A泵蝸舌有缺損及邊沿減薄的情況，但并未影響A泵的正常運(yùn)行，表明葉片與蝸舌間隙適度增大有利于冷凝液泵的良好運(yùn)行，這也是A泵振動(dòng)較小的原因。B泵蝸舌經(jīng)適度打磨檢修后，經(jīng)試車及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行檢驗(yàn)，其振值有了較大降幅，即使全開(kāi)出口閥其振動(dòng)速度也只有2.0 mm/s左右，滿足設(shè)備管理要求，B泵可投入正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

華鶴煤化合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)配套冷凝液外送泵(B泵)打開(kāi)出口閥即發(fā)生異常振動(dòng)故障，檢修人員采取各種檢修處理措施均未能解決該問(wèn)題，B泵只能用作緊急備用設(shè)備，危及系統(tǒng)安全運(yùn)行。后經(jīng)技術(shù)人員的不懈努力，采用頻譜分析儀采集B泵的振動(dòng)頻譜圖，通過(guò)對(duì)其振動(dòng)頻譜圖的分析與研究，有了新的認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的方向，并通過(guò)與A泵進(jìn)行對(duì)比，最終確定B泵故障原因?yàn)槿~輪直徑過(guò)大以及葉片與蝸舌間隙過(guò)小。利用系統(tǒng)大修機(jī)會(huì)調(diào)整B泵葉輪直徑及葉片與蝸舌間隙后，成功解決了長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)難題，保障了合成氨裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。