李迎麗，高子惠，李 犇

（中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

0 引言

機泵的口環(huán)又稱耐磨環(huán)或密封環(huán)，主要作用是避免葉輪和蝸殼發(fā)生直接接觸，有效保護葉輪?？诃h(huán)材料應(yīng)具有很好的耐磨性能，同時還能在葉輪與泵殼間形成狹窄、曲折的通道，以增加介質(zhì)的流動阻力，防止出口端介質(zhì)倒流至入口端，起到很好的密封作用。隨著大型機泵對效率的要求不斷提高，口環(huán)間隙逐漸變小，機泵時常會因工藝、啟泵操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐煽诃h(huán)摩碰。一旦口環(huán)發(fā)生嚴(yán)重摩碰將會影響機泵運行穩(wěn)定性，輕則機泵振動急劇上升，嚴(yán)重時將破壞機泵的軸承、密封，發(fā)生惡性事故的概率將大大增加。因此，有必要在機泵發(fā)生口環(huán)摩碰的早期明確故障原因。

傳統(tǒng)的設(shè)備運行管理模式通常是計劃檢修或故障檢修，設(shè)備出現(xiàn)異常后很難早期判斷故障原因。近年來，隨著設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)趨于完善，在診斷理論、診斷設(shè)備性能、診斷技術(shù)應(yīng)用與推廣等方面，為設(shè)備管理、設(shè)備的可靠性與維修性、提高企業(yè)的生產(chǎn)水平，減輕維修人員的勞動時間與強度，達(dá)到了一個新的水平，避免了設(shè)備“過剩維修”或“維修不足”現(xiàn)象。在當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)水平下，國內(nèi)外針對大型、重要設(shè)備通常采取振動監(jiān)測手段（包括在線或離線監(jiān)測），通過監(jiān)測設(shè)備的振動判斷設(shè)備的健康狀態(tài)。例如，及早發(fā)現(xiàn)機泵常見的不平衡、不對中、松動、軸承、摩碰等故障，能夠使設(shè)備維修的時刻恰到好處，既保障設(shè)備長周期運行，又降低企業(yè)維修成本。本文將從狀態(tài)監(jiān)測角度分析機泵發(fā)生口環(huán)摩碰故障的機理，通過一起典型的機泵口環(huán)摩碰案例驗證診斷結(jié)論的準(zhǔn)確性。

1 機泵口環(huán)摩碰故障機理

口環(huán)摩碰是機泵運行中較常見的一種故障類型，故障發(fā)生后轉(zhuǎn)子的振動通常會增大，同時也會帶來零部件的損傷甚至引發(fā)重大的破壞性事故。此類故障現(xiàn)象與其他故障容易混淆，如流體失穩(wěn)、軸承故障等，設(shè)備技術(shù)人員經(jīng)常出現(xiàn)誤判，導(dǎo)致機泵檢修易返工。通過幾年工作經(jīng)驗積累，這類摩碰故障的主要因素有轉(zhuǎn)子與靜止之間的安裝間隙太小、軸存在撓曲變形、轉(zhuǎn)子在軸向方向上有較大的躥動、設(shè)備高振動、動靜件熱膨脹不均等等?？诃h(huán)發(fā)生摩碰故障有輕重之分，輕則是口環(huán)表面擦傷，由于摩擦力不大，不會影響轉(zhuǎn)子軸系的運動特性，也不會引起很大的振動，設(shè)備未停機拆檢之前往往不易被發(fā)現(xiàn)；重則口環(huán)之間發(fā)生碰撞摩擦、產(chǎn)生較大摩擦力，有時甚至發(fā)生360°整周的摩擦，顯然這類摩碰會引起轉(zhuǎn)子較大的振動并嚴(yán)重?fù)p失零部件。在實際故障診斷中，兩類摩碰的故障特征不同，振動信號分析是常用的診斷方法。

口環(huán)發(fā)生摩碰時相當(dāng)于在摩碰點處增加了一個支撐，改變了轉(zhuǎn)子的剛度。口環(huán)之間不斷發(fā)生局部摩擦，剛度在接觸與非接觸兩種情況之間發(fā)生變化，其變化的頻率就是轉(zhuǎn)子的進(jìn)動頻率，這種周期性的變化使得轉(zhuǎn)子自由振動變得極不穩(wěn)定。在發(fā)生輕摩碰的情況下，由于轉(zhuǎn)子不平衡，轉(zhuǎn)速頻率成分幅值較高，倍頻成分一般并不太高，但隨著轉(zhuǎn)子摩擦接觸弧的增加，由于摩擦部位起到了很強的支撐作用，轉(zhuǎn)速頻率幅值有所下降，摩碰的故障頻率會有所增大。在強摩碰發(fā)生后，在頻譜圖上經(jīng)常會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子的一階自振頻率（摩碰時相當(dāng)于增加了一個支撐，使得自振頻率升高），還會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率域振動頻率之前的和差頻率，摩碰故障一階自振頻率一般是0.5 倍頻左右，因此在圖譜上會出現(xiàn)0.5倍頻或1.5 倍頻左右的頻率。通過對近幾年此類故障經(jīng)驗的總結(jié)，口環(huán)摩碰會造成類似旋轉(zhuǎn)失速的紊流，引起轉(zhuǎn)子固有頻率的振動，運轉(zhuǎn)時滑環(huán)摩擦，支撐剛度變大，使固有頻率變化，因此振動頻率隨著轉(zhuǎn)速變化，轉(zhuǎn)子動力學(xué)不穩(wěn)定引起泵軸的一階彎曲模態(tài)共振，這類故障會出現(xiàn)明顯的一點幾倍頻。由于每臺機泵轉(zhuǎn)子的剛度不一致，這個頻率往往不是固定的，但幾乎均在1.5 倍頻左右。有時候口環(huán)間隙過大在降低效率的同時也會出現(xiàn)振動過大，出現(xiàn)同樣的振動頻率，口環(huán)摩碰、間隙過大的振動激勵可以通過調(diào)整間隙、修改滑環(huán)造型或更換新口環(huán)來解決。

2 口環(huán)摩碰故障診斷實例

某石化聯(lián)合車間P102I 加氫進(jìn)料泵為美國福斯公司制造的BB5 多級離心泵，向渣油加氫裝置提供原料（圖1）。該泵額定流量210 m3/h，揚程2823 m，額定轉(zhuǎn)速4808 r/min。

圖1 P102I 加氫進(jìn)料泵概貌

2021 年11 月11 日，轉(zhuǎn)子因循環(huán)氫壓縮機干氣密封泄漏緊急停工，因工藝操作不當(dāng)造成P102I 在最小流量附近運行，振動及軸位移異常增大。隨后，該泵先后進(jìn)行6 次試運，振值、軸位移均異常，泵驅(qū)動端最大振值分別為水平126 μm、垂直100 μm，軸位移最大+0.62 mm。現(xiàn)場通過檢查入口濾網(wǎng)，更換軸承，調(diào)節(jié)對中等方式，該泵振動問題仍未解決。

（1）通過監(jiān)測頻譜圖可知，該泵低負(fù)荷運行時負(fù)荷端頻率成分以工頻（80.2 Hz）和流體頻率（401 Hz）為主，振值很低、低于報警值；提高負(fù)荷后，泵負(fù)荷端頻率成分出現(xiàn)顯著的1.4 倍異步振動頻率（111.3 Hz），振值顯著升高且該頻率成為頻譜中的主導(dǎo)頻率（圖2）。

圖2 P102I 泵低、高負(fù)荷運行狀態(tài)譜對比

（2）通過現(xiàn)場了解，該機組以往正常運行時相關(guān)工藝參數(shù)穩(wěn)定，本次啟機提高負(fù)荷后，流體頻率（401 Hz）不明顯，排除工藝調(diào)節(jié)原因引起的振值升高。

（3）機組檢修后，激光找正儀的對中數(shù)據(jù)在合格范圍，并且在低負(fù)荷與高負(fù)荷運行期間均未見到明顯2 倍頻頻率成分，排除不對中原因引起的振值升高。

（4）在低負(fù)荷狀態(tài)運行時，工頻成分為主且振值低，提高負(fù)荷后工頻成分不明顯，排除轉(zhuǎn)子明顯彎曲原因引起的振值升高。

通過本次機組圖譜所表現(xiàn)的故障特征，結(jié)合以往檢修、運行情況以及口環(huán)摩碰振動機理模型，綜合分析后認(rèn)為，該泵振動升高的原因為摩碰故障，建議解體、著重檢查葉輪口環(huán)等部件是否發(fā)生過摩碰。

11 月29 日，該泵拆解后發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)口環(huán)、級間套等部件存在明顯摩碰，與之前的分析診斷結(jié)論一致（圖3）。另外，從檢修數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)一部分口環(huán)間隙偏大。該泵為10 級高溫高壓機泵，口環(huán)間隙出現(xiàn)問題后機泵流體泄漏量會加大，口環(huán)間流體也會失穩(wěn)，導(dǎo)致機泵振動超標(biāo)，同時隨著機泵流量增大，流體紊流加劇，振動也隨之增大，所以口環(huán)間隙相對較小的部位會發(fā)生摩碰現(xiàn)象。

圖3 現(xiàn)場檢維修時發(fā)現(xiàn)口環(huán)摩碰

2022 年1月10 日，機泵檢修回裝完成、試運合格，現(xiàn)場測試殼體最大振值1.5 mm/s，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上顯示該泵最高振值24 μm，異步頻率（1.4 倍頻）消失，該機泵口環(huán)摩碰故障最終解決。

3 結(jié)論

從狀態(tài)監(jiān)測理論角度介紹機泵口環(huán)摩碰的故障特征及機理，總結(jié)同類型故障經(jīng)驗，同時通過一例機泵口環(huán)摩碰故障的分析，詳細(xì)介紹機泵狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷的方法，逐項排除機泵可能會發(fā)生的故障，最終精準(zhǔn)判斷機泵具體故障。狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠提高企業(yè)設(shè)備預(yù)知維修能力，避免機泵出現(xiàn)由于高振動導(dǎo)致的泄漏、著火、爆炸事故，同時還能夠為企業(yè)節(jié)省檢維修工期、費用。本文對該類故障機理探討對機泵口環(huán)故障的判斷有著指導(dǎo)意義，這一診斷方法能夠指導(dǎo)設(shè)備技術(shù)人員及時找到原因，進(jìn)而保證設(shè)備安全、平穩(wěn)、長周期運行。