李媛

（山東華電節(jié)能技術(shù)有限公司 山東濟(jì)南 250000）

1 臥式循環(huán)水泵的工作原理和技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 工作原理

循環(huán)泵是輸送反應(yīng)、吸收、分離、吸收液再生的循環(huán)液用泵，它的揚(yáng)程較低，只是用來(lái)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(dòng)后葉輪高速旋轉(zhuǎn)，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(jìn)水管內(nèi)產(chǎn)生一定吸力。低處水推開進(jìn)水閥門，沿著水管進(jìn)入泵殼；然后經(jīng)葉輪甩進(jìn)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(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 臥式節(jié)能循環(huán)水泵的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

臥式循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括如下幾點(diǎn)。（1）進(jìn)水口、出水口、流道經(jīng)特殊處理，水流進(jìn)入泵殼更加順暢，抗汽蝕性更好。（2）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的撓度值減小，能減輕葉輪口環(huán)的磨損度，降低功率損耗［1］。（4）降低液體輸送過(guò)程中的體積損失、機(jī)械損失和水力損失。（5）用于實(shí)際生產(chǎn)中，初期投資低，運(yùn)行穩(wěn)定，檢修維護(hù)方便。

2 臥式循環(huán)水泵振動(dòng)超標(biāo)的原因

臥式循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)超標(biāo)的原因較多，綜合相關(guān)研究報(bào)道，這些原因可分為四大類：設(shè)計(jì)原因、安裝原因、運(yùn)行控制原因和設(shè)備本身原因。

2.1 設(shè)計(jì)原因

第一，入口壓力過(guò)低產(chǎn)生汽蝕。循環(huán)水泵設(shè)計(jì)時(shí)，如果液面較高，進(jìn)口管道阻力大，就會(huì)降低入口壓力。該壓力達(dá)到一定數(shù)值，進(jìn)口水發(fā)生汽化，會(huì)形成大量氣泡。在葉輪作用下，氣泡前進(jìn)到達(dá)高壓區(qū)會(huì)縮小、破裂，周圍液體快速填充，會(huì)造成水力沖擊，導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)。

第二，管道柔性大產(chǎn)生共振。循環(huán)水泵在運(yùn)行時(shí)，本身會(huì)產(chǎn)生一定振動(dòng)，這種振動(dòng)較小，不會(huì)影響運(yùn)行安全。但是，如果構(gòu)件固定不牢，這些小振動(dòng)經(jīng)液體傳遞給管線，而管線柔性較大、剛度較小，就會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振，導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)。

第三，管道位置設(shè)計(jì)不合理。循環(huán)水泵的進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)有問(wèn)題，造成入口流量不均勻，運(yùn)行過(guò)程中偏離額定工況點(diǎn)，泵內(nèi)水的流態(tài)異常，在強(qiáng)烈的水力波動(dòng)下導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)。

第四，基礎(chǔ)剛性過(guò)小。底座及錨固件是循環(huán)水泵的基礎(chǔ)，通常澆筑在混凝土結(jié)構(gòu)中。實(shí)際生產(chǎn)中，各個(gè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，各種振動(dòng)會(huì)通過(guò)基礎(chǔ)造成影響。如果基礎(chǔ)剛性過(guò)小，或者發(fā)生松動(dòng)，隨著振動(dòng)加劇，就會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)［2］。

2.2 安裝原因

第一，對(duì)中偏差。（1）電機(jī)和循環(huán)水泵對(duì)中偏差。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給泵體，安裝時(shí)，對(duì)電機(jī)和循環(huán)水泵的對(duì)中精度要求高。出現(xiàn)對(duì)中偏差后，會(huì)影響聯(lián)軸器的平衡狀態(tài)，為了補(bǔ)償偏差，聯(lián)軸器會(huì)發(fā)生協(xié)調(diào)變形，產(chǎn)生協(xié)調(diào)應(yīng)力。該應(yīng)力作用在電機(jī)和泵體上，就會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)［3］。（2）進(jìn)出口管線和泵中心偏差。循環(huán)水泵使用過(guò)程中，在外力或其他因素的影響下，殼體會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和殼體之間發(fā)生偏差。試車時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)水平振動(dòng)大于垂直振動(dòng)、軸向振動(dòng)，而且這種振動(dòng)具有周期性。

第二，基礎(chǔ)偏心。循環(huán)水泵固定在基礎(chǔ)上，隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)的位置偏移或高程改變，電機(jī)和循環(huán)水泵之間對(duì)中超差，也會(huì)造成振動(dòng)超標(biāo)。

第三，基礎(chǔ)松動(dòng)。循環(huán)水泵的基礎(chǔ)重量輕、地腳螺栓固定不牢，或安裝過(guò)程形成彈性基礎(chǔ)，或在水的作用下降低了基礎(chǔ)剛度，此時(shí)，水泵產(chǎn)生一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，和振動(dòng)相位相差180°，導(dǎo)致振動(dòng)頻率增加［4］。

第四，聯(lián)軸器故障。聯(lián)軸器的作用是把水泵軸、電動(dòng)機(jī)軸聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞的效果。如果聯(lián)軸器出現(xiàn)以下問(wèn)題，即：（1）連接螺栓的間距不合理，發(fā)生對(duì)稱性破壞；（2）加長(zhǎng)節(jié)偏心，產(chǎn)生偏心力；（3）錐面度超差；（4）動(dòng)/靜平衡不好；（5）彈性銷和聯(lián)軸器之間過(guò)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(guò)大；（7）膠圈發(fā)生嚴(yán)重磨損；（8）傳動(dòng)螺栓質(zhì)量差，均可能導(dǎo)致聯(lián)軸器不同心，造成振動(dòng)超標(biāo)。

第五，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(dǎo)致管道壓在泵體上，造成電機(jī)、泵體破壞。（2）安裝進(jìn)出口管道時(shí)，管道和泵體之間產(chǎn)生較大應(yīng)力。（3）進(jìn)出口管線的支吊架，安裝情況和設(shè)計(jì)不相符，出現(xiàn)局部松動(dòng)、約束剛度減小等情況，都可能引起振動(dòng)超標(biāo)。

2.3 運(yùn)行控制原因

第一，進(jìn)出口管道內(nèi)有空氣。水泵進(jìn)口管道的放氣管關(guān)閉，或充水時(shí)有殘留的空氣，水泵運(yùn)行時(shí)，空氣在壓力、流速作用下壓縮。隨著壓力和流速變化，空氣團(tuán)的體積也會(huì)變大變小，導(dǎo)致水流速度改變，引起水擊現(xiàn)象和振動(dòng)超標(biāo)。一般情況下，少量空氣會(huì)隨著水流運(yùn)行被帶走，振動(dòng)現(xiàn)象逐漸減弱、直至消失。如果振動(dòng)持續(xù)存在，說(shuō)明積存的空氣較多，應(yīng)打開放氣閥排出。

第二，進(jìn)口壓力不足。進(jìn)口管道堵塞，入口濾網(wǎng)阻力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)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(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，此時(shí)，可聽到泵內(nèi)有異常響聲，尤其進(jìn)口處的振動(dòng)過(guò)大［5］。

第三，閥門的閥板掉落。關(guān)斷閥、止回閥的閥板掉落會(huì)影響管道的通流能力，掉落位置形成節(jié)流，導(dǎo)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(dòng)超標(biāo)。

第四，實(shí)際流量過(guò)大。水泵運(yùn)行時(shí)，實(shí)際流量嚴(yán)重超出額定流量，如入口處電動(dòng)閥關(guān)小、出口流量值過(guò)低等，就會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)。

第五，潤(rùn)滑效果差。軸承部位的潤(rùn)滑油雜質(zhì)含量高，或者發(fā)生變質(zhì)，因潤(rùn)滑效果差造成工況惡化，就會(huì)引起振動(dòng)超標(biāo)［6］。

2.4 設(shè)備本身原因

第一，軸承松動(dòng)損壞。軸承的作用是承擔(dān)軸向力和徑向力，一旦軸承松動(dòng)、損壞，會(huì)直接帶來(lái)振動(dòng)問(wèn)題，并伴有異常聲響、發(fā)熱等現(xiàn)象。水泵運(yùn)行時(shí)，如果軸承溫度超出額定溫度，會(huì)加快磨損速度，造成振動(dòng)超標(biāo)。

第二，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(dǎo)致葉輪偏心，導(dǎo)致振動(dòng)現(xiàn)象加強(qiáng)。

第三，軸瓦間隙不合適。在滑動(dòng)軸承上，軸瓦頂部間隙過(guò)小，軸和上瓦接觸產(chǎn)生的摩擦力，和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)子就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。軸瓦間隙過(guò)大，無(wú)法形成工作油囊，因干摩擦也會(huì)引起振動(dòng)。

第四，平衡裝置失效。平衡裝置的作用是葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(huì)引起振動(dòng)。

第五，轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡。轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心偏離了軸線，會(huì)產(chǎn)生偏心質(zhì)量，高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)偏心質(zhì)量轉(zhuǎn)化為離心力，在離心力作用下軸承就會(huì)振動(dòng)［7］。常見現(xiàn)象有轉(zhuǎn)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。

第六，電機(jī)故障。因電機(jī)故障引起的振動(dòng)超標(biāo)，主要包括如下幾點(diǎn)。（1）電機(jī)零部件損壞或松動(dòng)，如鐵芯松動(dòng)、定位裝置松動(dòng)、結(jié)構(gòu)件松動(dòng)等。（2）轉(zhuǎn)子和定子的繞組中心線發(fā)生偏差，兩者的中心不對(duì)應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生不均勻的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)化為激振力引起振動(dòng)超標(biāo)。

3 大型臥式循環(huán)水泵振動(dòng)大問(wèn)題的實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目概況

某火電廠內(nèi)，一期工程有兩臺(tái)1000MW 的發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)大型臥式循環(huán)水泵，以保證冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行。該水泵是單級(jí)混流泵，由三相異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)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，最大轉(zhuǎn)速為370r/min。機(jī)組于2018年7月正式投運(yùn)，運(yùn)行穩(wěn)定。2021年10月進(jìn)行二期工程建設(shè)，設(shè)備和一期工程相同，建成后水泵試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)異常振動(dòng)，遂進(jìn)行停機(jī)檢修。

3.2 振動(dòng)現(xiàn)象

10月5日，循環(huán)水泵經(jīng)過(guò)電機(jī)試轉(zhuǎn)、泵低速試轉(zhuǎn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常；然后高速運(yùn)行，3個(gè)水泵均出現(xiàn)故障。

（1）A循環(huán)水泵開啟后，聯(lián)軸器側(cè)的振動(dòng)幅度明顯增大，最大值為236μm，軸瓦溫度升高至87℃，技術(shù)人員緊急關(guān)?！，F(xiàn)場(chǎng)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(dòng)3mm，電機(jī)地腳處沒(méi)有移位情況。對(duì)聯(lián)軸器外罩打開檢查，發(fā)現(xiàn)泵軸、電機(jī)軸的中心發(fā)生偏差，泵軸向入口處偏移，且卡死盤不動(dòng)。對(duì)軸承箱解體檢查，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器側(cè)的下軸瓦發(fā)生磨損，導(dǎo)致軸瓦跑偏，電機(jī)轉(zhuǎn)子未見明顯異常。

（2）B循環(huán)水泵開啟后，聯(lián)軸器側(cè)的振動(dòng)幅度明顯增大，技術(shù)人員緊急關(guān)停。對(duì)聯(lián)軸器外罩打開檢查，發(fā)現(xiàn)泵軸、電機(jī)軸的中心發(fā)生偏差，泵軸向入口處偏移2mm。

（3）因A、B兩臺(tái)循環(huán)水泵均出現(xiàn)問(wèn)題，未對(duì)C水泵進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，拆開聯(lián)軸器外罩檢查，發(fā)現(xiàn)泵軸、電機(jī)軸的中心發(fā)生偏差，泵軸向入口處偏移1mm。

3.3 原因分析

根據(jù)振動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查和解體檢查，分析振動(dòng)大的可能原因有4個(gè)，對(duì)4個(gè)原因進(jìn)行逐一排查。

（1）泵體和電機(jī)的軸系對(duì)中偏差。解體檢查3 臺(tái)水泵的泵軸、電機(jī)軸的中心均發(fā)生偏差，這是造成振動(dòng)大的直接原因。但是，安裝單位完成安裝后，對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行復(fù)查，結(jié)果證實(shí)數(shù)據(jù)均符合要求，其中，對(duì)輪圓周≤0.05mm，張口≤0.03mm，且順利通過(guò)低速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，軸承振動(dòng)和溫度均正常，這說(shuō)明泵體和電機(jī)的軸系對(duì)中偏差不是引起振動(dòng)大的根源。

（2）電機(jī)軸承潤(rùn)滑差。該水泵電機(jī)軸承采用強(qiáng)制潤(rùn)滑，如果潤(rùn)滑油雜質(zhì)含量高，或者油壓不夠，無(wú)法形成良好的油膜，就會(huì)造成軸瓦磨損，引起振動(dòng)［8］。檢查發(fā)現(xiàn)，電機(jī)潤(rùn)滑油單獨(dú)循環(huán)，油品質(zhì)量好，且沒(méi)有異物，油壓約為0.25MPa，并沒(méi)有出現(xiàn)異常，可以排除這一原因。

（3）泵體及地腳螺栓質(zhì)量問(wèn)題。泵體和地腳螺栓出廠時(shí)均經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)；安裝前，在車間內(nèi)進(jìn)行整體試轉(zhuǎn)，結(jié)果也符合要求，可以排除這一原因。

（4）進(jìn)出口大小頭管道固定不良。該循環(huán)泵現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，進(jìn)出口閥門采用獨(dú)立的支撐系統(tǒng)。其中，進(jìn)出管大小頭的一側(cè)和泵用螺栓連接固定，另一側(cè)與橡膠膨脹節(jié)連接，大小頭無(wú)獨(dú)立支撐座，運(yùn)行時(shí)的重量均由泵體承擔(dān)。安裝使用手冊(cè)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(dòng)引起泵體振動(dòng)，并造成泵體移位，是本次故障發(fā)生的根本原因。

3.4 處理方法

明確振動(dòng)大的原因后，處理方法是對(duì)進(jìn)出口大小頭管道進(jìn)行固定，并且加裝獨(dú)立支撐，可行方案有兩個(gè)。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(dú)立支撐。處理后，大小頭管道的兩側(cè)剛性連接，不會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，且管道重量由閥門支座承擔(dān)，確保水泵穩(wěn)定運(yùn)行。方案2：鎖緊橡膠膨脹節(jié)。處理后，循泵進(jìn)出口橡膠膨脹節(jié)的限位螺栓打緊固定，膨脹節(jié)沒(méi)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(dān)。

綜合對(duì)比兩個(gè)方案，為了加快進(jìn)度、縮短工期，最終采用方案2，具體操作如下。（1）緊固水泵進(jìn)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(duì)水泵的軸系中心進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)要求，并對(duì)泵體、電機(jī)的地腳螺栓緊固。（3）A水泵解體檢查后，對(duì)葉輪、口環(huán)卡死部位進(jìn)行打磨修復(fù)，并且更換聯(lián)軸器側(cè)的軸瓦。

3.5 運(yùn)行效果

處理后，再次對(duì)3臺(tái)水泵進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端/非驅(qū)動(dòng)端、泵驅(qū)動(dòng)端/非驅(qū)動(dòng)端的軸振幅度、軸承溫度。分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有管道振動(dòng)或異常聲響，監(jiān)控中心顯示水泵的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均正常。此后，水泵正式運(yùn)行中，沒(méi)有出現(xiàn)振動(dòng)大、軸溫升高等情況，說(shuō)明振動(dòng)大的問(wèn)題解決。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，循環(huán)水泵是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種設(shè)備，其中，臥式循環(huán)水泵具有多個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文從設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行控制和設(shè)備本身4 個(gè)方面，詳細(xì)分析了水泵運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大的原因，結(jié)合實(shí)際案例，介紹了相應(yīng)的處理方法。希望通過(guò)本文，為相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)管理工作提供借鑒，及時(shí)明確故障原因，及時(shí)檢修處理，保證水泵和整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。