李媛

（山東華電節(jié)能技術(shù)有限公司 山東濟南 250000）

1 臥式循環(huán)水泵的工作原理和技術(shù)優(yōu)勢

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(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(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

臥式循環(huán)水泵運行時，技術(shù)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(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［1］。（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(guān)研究報道，這些原因可分為四大類：設(shè)計原因、安裝原因、運行控制原因和設(shè)備本身原因。

2.1 設(shè)計原因

第一，入口壓力過低產(chǎn)生汽蝕。循環(huán)水泵設(shè)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(dǎo)致振動超標。

第二，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(gòu)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(jié)構(gòu)共振，導(dǎo)致振動超標。

第三，管道位置設(shè)計不合理。循環(huán)水泵的進出口管道設(shè)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(dǎo)致振動超標。

第四，基礎(chǔ)剛性過小。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。實際生產(chǎn)中，各個系統(tǒng)同時運行，各種振動會通過基礎(chǔ)造成影響。如果基礎(chǔ)剛性過小，或者發(fā)生松動，隨著振動加劇，就會導(dǎo)致振動超標［2］。

2.2 安裝原因

第一，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(yīng)力。該應(yīng)力作用在電機和泵體上，就會導(dǎo)致振動超標［3］。（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(dǎo)致轉(zhuǎn)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。

第二，基礎(chǔ)偏心。循環(huán)水泵固定在基礎(chǔ)上，隨著使用時間延長，基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，會導(dǎo)致基礎(chǔ)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。

第三，基礎(chǔ)松動。循環(huán)水泵的基礎(chǔ)重量輕、地腳螺栓固定不牢，或安裝過程形成彈性基礎(chǔ)，或在水的作用下降低了基礎(chǔ)剛度，此時，水泵產(chǎn)生一個臨界轉(zhuǎn)速，和振動相位相差180°，導(dǎo)致振動頻率增加［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(zhì)量差，均可能導(dǎo)致聯(lián)軸器不同心，造成振動超標。

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、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(yīng)力。（3）進出口管線的支吊架，安裝情況和設(shè)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 運行控制原因

第一，進出口管道內(nèi)有空氣。水泵進口管道的放氣管關(guān)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(dǎo)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(yīng)打開放氣閥排出。

第二，進口壓力不足。進口管道堵塞，入口濾網(wǎng)阻力過大，會導(dǎo)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［5］。

第三，閥門的閥板掉落。關(guān)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(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，造成振動超標。

第四，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(guān)小、出口流量值過低等，就會導(dǎo)致振動超標。

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

2.4 設(shè)備本身原因

第一，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。

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)致振動現(xiàn)象加強。

第三，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(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)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。

第四，平衡裝置失效。平衡裝置的作用是葉輪運轉(zhuǎn)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。

第五，轉(zhuǎn)子動不平衡。轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心偏離了軸線，會產(chǎn)生偏心質(zhì)量，高速轉(zhuǎn)動時偏心質(zhì)量轉(zhuǎn)化為離心力，在離心力作用下軸承就會振動［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(jié)構(gòu)件松動等。（2）轉(zhuǎn)子和定子的繞組中心線發(fā)生偏差，兩者的中心不對應(yīng)，會產(chǎn)生不均勻的磁場，轉(zhuǎn)化為激振力引起振動超標。

3 大型臥式循環(huán)水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，最大轉(zhuǎn)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(shè)，設(shè)備和一期工程相同，建成后水泵試運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)、泵低速試轉(zhuǎn)，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(cè)的振動幅度明顯增大，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(cè)的下軸瓦發(fā)生磨損，導(dǎo)致軸瓦跑偏，電機轉(zhuǎn)子未見明顯異常。

（2）B循環(huán)水泵開啟后，聯(lián)軸器側(cè)的振動幅度明顯增大，技術(shù)人員緊急關(guān)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(zhuǎn)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 原因分析

根據(jù)振動現(xiàn)象，結(jié)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(fù)查，結(jié)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(zhuǎn)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(zhì)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［8］。檢查發(fā)現(xiàn)，電機潤滑油單獨循環(huán)，油品質(zhì)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(zhì)量問題。泵體和地腳螺栓出廠時均經(jīng)過質(zhì)量檢驗；安裝前，在車間內(nèi)進行整體試轉(zhuǎn)，結(jié)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(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 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(cè)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，最終采用方案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(shè)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(fù)，并且更換聯(lián)軸器側(cè)的軸瓦。

3.5 運行效果

處理后，再次對3臺水泵進行高速運轉(zhuǎn)試驗，監(jiān)測電機驅(qū)動端/非驅(qū)動端、泵驅(qū)動端/非驅(qū)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。

4 結(jié)語

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)水泵具有多個技術(shù)優(yōu)勢。本文從設(shè)計、安裝、運行控制和設(shè)備本身4 個方面，詳細分析了水泵運行時振動大的原因，結(jié)合實際案例，介紹了相應(yīng)的處理方法。希望通過本文，為相關(guān)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。