大型臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）振動大原因分析及處理方法探究

       大型循環(huán)水泵是火電廠機組中的重要設備，循環(huán)水泵是否穩(wěn)定運行直接影響整個機組的運行，關系到電廠的生產(chǎn)效益。因此，循環(huán)水泵在運行過程中應加強日常管理工作，定期維護保養(yǎng)，及時發(fā)現(xiàn)隱患、消除隱患，避免設備帶病運行，延長使用壽命。針對臥式循環(huán)水泵振動問題，從水泵的工作原理和技術優(yōu)勢、振動超標的原因、大型臥式循環(huán)水泵振動大問題的實例分析等方面進行探究。結果證實，振動超標的原因較多，技術人員應采取針對性的處理方法，并做好日常運維工作，提高臥式循環(huán)水泵的運行可靠性。
1、臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）的工作原理和技術優(yōu)勢
1.1工作原理
        循環(huán)泵是輸送反應、吸收、分離、吸收液再生的循環(huán)液用泵，它的揚程較低，只是用來克服循環(huán)系統(tǒng)的壓力降。以常見水泵為例，工作原理是：泵殼內(nèi)充滿水，啟動后葉輪高速旋轉，入口處水壓降低，沿著葉輪半徑方向的水壓提高，在壓力差的作用下，進水管內(nèi)產(chǎn)生一定吸力。低處水推開進水閥門，沿著水管進入泵殼；然后經(jīng)葉輪甩進出水管，將低處的水抽向高處。一種臥式節(jié)能循環(huán)水泵的結構組成如圖1所示。
        1-泵體；2-排氣閥；3-葉輪；4-泵蓋；5-電機；6-一緊固螺絲；7-加長軸；8-緊釘螺絲；9-二緊固螺絲；10-底座；11-進口；12-出口
圖1臥式節(jié)能循環(huán)水泵的結構示意圖
1.2臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）技術優(yōu)勢
        臥式循環(huán)水泵運行時，技術優(yōu)勢包括如下幾點。
        （1）進水口、出水口、流道經(jīng)特殊處理，水流進入泵殼更加順暢，抗汽蝕性更好。
        （2）轉子的重量減輕，泵組徑向力減小，能提高軸承的使用壽命。
        （3）轉子運行時的撓度值減小，能減輕葉輪口環(huán)的磨損度，降低功率損耗。
        （4）降低液體輸送過程中的體積損失、機械損失和水力損失。
        （5）用于實際生產(chǎn)中，初期投資低，運行穩(wěn)定，檢修維護方便。
2、臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）振動超標的原因
        臥式循環(huán)水泵運行時，振動超標的原因較多，綜合相關研究報道，這些原因可分為四大類：設計原因、安裝原因、運行控制原因和設備本身原因。
2.1臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）設計原因
        一，入口壓力過低產(chǎn)生汽蝕。循環(huán)水泵設計時，如果液面較高，進口管道阻力大，就會降低入口壓力。該壓力達到一定數(shù)值，進口水發(fā)生汽化，會形成大量氣泡。在葉輪作用下，氣泡前進到達高壓區(qū)會縮小、破裂，周圍液體快速填充，會造成水力沖擊，導致振動超標。
        二，管道柔性大產(chǎn)生共振。循環(huán)水泵在運行時，本身會產(chǎn)生一定振動，這種振動較小，不會影響運行安全。但是，如果構件固定不牢，這些小振動經(jīng)液體傳遞給管線，而管線柔性較大、剛度較小，就會引起結構共振，導致振動超標。
        三，管道位置設計不合理。循環(huán)水泵的進出口管道設計有問題，造成入口流量不均勻，運行過程中偏離額定工況點，泵內(nèi)水的流態(tài)異常，在強烈的水力波動下導致振動超標。
        四，基礎剛性過小。底座及錨固件是循環(huán)水泵的基礎，通常澆筑在混凝土結構中。實際生產(chǎn)中，各個系統(tǒng)同時運行，各種振動會通過基礎造成影響。如果基礎剛性過小，或者發(fā)生松動，隨著振動加劇，就會導致振動超標。
2.2臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）安裝原因
一，對中偏差。
        （1）電機和循環(huán)水泵對中偏差。電動機的動力通過聯(lián)軸器傳遞給泵體，安裝時，對電機和循環(huán)水泵的對中精度要求高。出現(xiàn)對中偏差后，會影響聯(lián)軸器的平衡狀態(tài)，為了補償偏差，聯(lián)軸器會發(fā)生協(xié)調(diào)變形，產(chǎn)生協(xié)調(diào)應力。該應力作用在電機和泵體上，就會導致振動超標。
        （2）進出口管線和泵中心偏差。循環(huán)水泵使用過程中，在外力或其他因素的影響下，殼體會發(fā)生變形，導致轉子和殼體之間發(fā)生偏差。試車時，會發(fā)現(xiàn)水平振動大于垂直振動、軸向振動，而且這種振動具有周期性。
二，基礎偏心。
        循環(huán)水泵固定在基礎上，隨著使用時間延長，基礎發(fā)生不均勻沉降，會導致基礎的位置偏移或高程改變，電機和循環(huán)水泵之間對中超差，也會造成振動超標。
三，基礎松動。
        循環(huán)水泵的基礎重量輕、地腳螺栓固定不牢，或安裝過程形成彈性基礎，或在水的作用下降低了基礎剛度，此時，水泵產(chǎn)生一個臨界轉速，和振動相位相差180°,導致振動頻率增加。
四，聯(lián)軸器故障。
        聯(lián)軸器的作用是把水泵軸、電動機軸聯(lián)系起來，實現(xiàn)扭矩傳遞的效果。如果聯(lián)軸器出現(xiàn)以下問題，即：
        （1）連接螺栓的間距不合理，發(fā)生對稱性破壞；
        （2）加長節(jié)偏心，產(chǎn)生偏心力；
        （3）錐面度超差；
        （4）動/靜平衡不好；
        （5）彈性銷和聯(lián)軸器之間過緊，影響彈性銷的彈性調(diào)節(jié)；
        （6）聯(lián)軸器和軸之間的間隙過大；
        （7）膠圈發(fā)生嚴重磨損；
        （8）傳動螺栓質量差，均可能導致聯(lián)軸器不同心，造成振動超標。
五，安裝不規(guī)范。
        （1）出口管道支架的剛度小，發(fā)生較大變形，導致管道壓在泵體上，造成電機、泵體破壞。
        （2）安裝進出口管道時，管道和泵體之間產(chǎn)生較大應力。
        （3）進出口管線的支吊架，安裝情況和設計不相符，出現(xiàn)局部松動、約束剛度減小等情況，都可能引起振動超標。
2.3臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）運行控制原因
        一，進出口管道內(nèi)有空氣。水泵進口管道的放氣管關閉，或充水時有殘留的空氣，水泵運行時，空氣在壓力、流速作用下壓縮。隨著壓力和流速變化，空氣團的體積也會變大變小，導致水流速度改變，引起水擊現(xiàn)象和振動超標。一般情況下，少量空氣會隨著水流運行被帶走，振動現(xiàn)象逐漸減弱、直至消失。如果振動持續(xù)存在，說明積存的空氣較多，應打開放氣閥排出。
        二，進口壓力不足。進口管道堵塞，入口濾網(wǎng)阻力過大，會導致進口壓力不足，該數(shù)值明顯低于泵的有效汽蝕余量。如此，泵內(nèi)水體汽化，就會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，此時，可聽到泵內(nèi)有異常響聲，尤其進口處的振動過大。
        三，閥門的閥板掉落。關斷閥、止回閥的閥板掉落會影響管道的通流能力，掉落位置形成節(jié)流，導致入口壓力減小、泵流量減小，繼而引起汽蝕現(xiàn)象，或偏離額定工況，造成振動超標。
        四，實際流量過大。水泵運行時，實際流量嚴重超出額定流量，如入口處電動閥關小、出口流量值過低等，就會導致振動超標。
        五，潤滑效果差。軸承部位的潤滑油雜質含量高，或者發(fā)生變質，因潤滑效果差造成工況惡化，就會引起振動超標。
2.4臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）設備本身原因
        一，軸承松動損壞。軸承的作用是承擔軸向力和徑向力，一旦軸承松動、損壞，會直接帶來振動問題，并伴有異常聲響、發(fā)熱等現(xiàn)象。水泵運行時，如果軸承溫度超出額定溫度，會加快磨損速度，造成振動超標。
        二，葉輪腐蝕。葉輪和水流直接接觸，如果流道受到?jīng)_刷腐蝕，可能導致葉輪偏心，導致振動現(xiàn)象加強。
        三，軸瓦間隙不合適。在滑動軸承上，軸瓦頂部間隙過小，軸和上瓦接觸產(chǎn)生的摩擦力，和轉子的旋轉方向相反，轉子就會產(chǎn)生振動。軸瓦間隙過大，無法形成工作油囊，因干摩擦也會引起振動。
        四，平衡裝置失效。平衡裝置的作用是葉輪運轉時平衡軸向力，如果該裝置失效，如出力不足、超電流、效率降低等，就會引起振動。
        五，轉子動不平衡。轉子的質量中心偏離了軸線，會產(chǎn)生偏心質量，高速轉動時偏心質量轉化為離心力，在離心力作用下軸承就會振動。常見現(xiàn)象有轉子產(chǎn)生不平衡量、葉輪和軸之間的間隙變大、泵軸變形彎曲、葉輪磨損等。
        六，電機故障。因電機故障引起的振動超標，主要包括如下幾點。
        （1）電機零部件損壞或松動，如鐵芯松動、定位裝置松動、結構件松動等。
        （2）轉子和定子的繞組中心線發(fā)生偏差，兩者的中心不對應，會產(chǎn)生不均勻的磁場，轉化為激振力引起振動超標。
3、臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）振動大問題的實例分析
3.1項目概況
        某火電廠內(nèi)，一期工程有兩臺1000MW的發(fā)電機組，每臺機組配置3臺大型臥式循環(huán)水泵，以保證冷卻水系統(tǒng)正常運行。該水泵是單級混流泵，由三相異步電動機提供動力。電動機的額定功率是3200kW，額定電壓是10kV，額定電流是300A，功率因數(shù)為0.9，大轉速為370r/min。機組于2018年7月正式投運，運行穩(wěn)定。
        2021年10月進行二期工程建設，設備和一期工程相同，建成后水泵試運轉時出現(xiàn)異常振動，遂進行停機檢修。
3.2振動現(xiàn)象
        10月5日，循環(huán)水泵經(jīng)過電機試轉、泵低速試轉，各項數(shù)據(jù)正常；然后高速運行，3個水泵均出現(xiàn)故障。
        （1）A循環(huán)水泵開啟后，聯(lián)軸器側的振動幅度明顯增大，大值為236μm，軸瓦溫度升高至87℃,技術人員緊急關�！，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：水泵地腳處發(fā)生移位，泵體向冷卻塔的方向移動3mm，電機地腳處沒有移位情況。對聯(lián)軸器外罩打開檢查，發(fā)現(xiàn)泵軸、電機軸的中心發(fā)生偏差，泵軸向入口處偏移，且卡死盤不動。對軸承箱解體檢查，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器側的下軸瓦發(fā)生磨損，導致軸瓦跑偏，電機轉子未見明顯異常。
        （2）B循環(huán)水泵開啟后，聯(lián)軸器側的振動幅度明顯增大，技術人員緊急關停。對聯(lián)軸器外罩打開檢查，發(fā)現(xiàn)泵軸、電機軸的中心發(fā)生偏差，泵軸向入口處偏移2mm。
        （3）因A、B兩臺循環(huán)水泵均出現(xiàn)問題，未對C水泵進行高速運轉試驗，拆開聯(lián)軸器外罩檢查，發(fā)現(xiàn)泵軸、電機軸的中心發(fā)生偏差，泵軸向入口處偏移1mm。
3.3臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）原因分析
        根據(jù)振動現(xiàn)象，結合現(xiàn)場檢查和解體檢查，分析振動大的可能原因有4個，對4個原因進行逐一排查。
        （1）泵體和電機的軸系對中偏差。解體檢查3臺水泵的泵軸、電機軸的中心均發(fā)生偏差，這是造成振動大的直接原因。但是，安裝單位完成安裝后，對聯(lián)軸器進行復查，結果證實數(shù)據(jù)均符合要求，其中，對輪圓周≤0.05mm，張口≤0.03mm，且順利通過低速運轉試驗，軸承振動和溫度均正常，這說明泵體和電機的軸系對中偏差不是引起振動大的根源。
        （2）電機軸承潤滑差。該水泵電機軸承采用強制潤滑，如果潤滑油雜質含量高，或者油壓不夠，無法形成良好的油膜，就會造成軸瓦磨損，引起振動。檢查發(fā)現(xiàn)，電機潤滑油單獨循環(huán)，油品質量好，且沒有異物，油壓約為0.25MPa，并沒有出現(xiàn)異常，可以排除這一原因。
        （3）泵體及地腳螺栓質量問題。泵體和地腳螺栓出廠時均經(jīng)過質量檢驗；安裝前，在車間內(nèi)進行整體試轉，結果也符合要求，可以排除這一原因。
        （4）進出口大小頭管道固定不良。該循環(huán)泵現(xiàn)場安裝時，進出口閥門采用獨立的支撐系統(tǒng)。其中，進出管大小頭的一側和泵用螺栓連接固定，另一側與橡膠膨脹節(jié)連接，大小頭無獨立支撐座，運行時的重量均由泵體承擔。安裝使用手冊中，明確要求泵體不能支撐管道，在水流沖擊作用下，大小頭擺動引起泵體振動，并造成泵體移位，是本次故障發(fā)生的根本原因。
3.4臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）處理方法
        明確振動大的原因后，處理方法是對進出口大小頭管道進行固定，并且加裝獨立支撐，可行方案有兩個。
        方案1：將橡膠膨脹節(jié)全部改為剛性管道，或在大小頭管道加裝獨立支撐。處理后，大小頭管道的兩側剛性連接，不會發(fā)生擺動，且管道重量由閥門支座承擔，確保水泵穩(wěn)定運行。
        方案2：鎖緊橡膠膨脹節(jié)。處理后，循泵進出口橡膠膨脹節(jié)的限位螺栓打緊固定，膨脹節(jié)沒有了軸向伸縮量，變成類剛性節(jié)管道，大小頭管道得到固定，管道重量由閥門支座承擔。
綜合對比兩個方案，為了加快進度、縮短工期，終采用方案2，具體操作如下。
        （1）緊固水泵進出口橡膠膨脹節(jié)的限位螺栓，鎖緊固定橡膠膨脹節(jié)，促使其剛性固定。
        （2）對水泵的軸系中心進行調(diào)整，嚴格滿足設計要求，并對泵體、電機的地腳螺栓緊固。
        （3）A水泵解體檢查后，對葉輪、口環(huán)卡死部位進行打磨修復，并且更換聯(lián)軸器側的軸瓦。
3.5臥式循環(huán)水泵（膠球清洗膠球泵）運行效果
        處理后，再次對3臺水泵進行高速運轉試驗，監(jiān)測電機驅動端/非驅動端、泵驅動端/非驅動端的軸振幅度、軸承溫度。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場沒有管道振動或異常聲響，監(jiān)控中心顯示水泵的各項運行參數(shù)均正常。此后，水泵正式運行中，沒有出現(xiàn)振動大、軸溫升高等情況，說明振動大的問題解決。
        綜上所述，循環(huán)水泵是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種設備，其中，臥式循環(huán)水泵具有多個技術優(yōu)勢。從設計、安裝、運行控制和設備本身4個方面，詳細分析了水泵運行時振動大的原因，結合實際案例，介紹了相應的處理方法。希望通過，為相關企業(yè)的生產(chǎn)管理工作提供借鑒，及時明確故障原因，及時檢修處理，保證水泵和整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。