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冷凝液泵開啟出口閥振動(dòng)高故障分析與處理

2024-04-11 14:00:27羅偉雄石寬寬劉長(zhǎng)鑫
中氮肥 2024年1期
關(guān)鍵詞:冷凝葉輪頻譜

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)其出口閥開啟到一定開度后,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),正常情況下一開一備,為常見的單級(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,一直以來均無異?,F(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1.6 mm/s,但按操作規(guī)程繼續(xù)緩慢打開出口閥后,泵體隨即開始出現(xiàn)振動(dòng)增大,出口閥開至一半時(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B泵已經(jīng)過多次檢修處理,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,無疑給合成氨裝置的安全運(yùn)行帶來嚴(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的故障之一,泵體振動(dòng)大有各種各樣的原因,常見的原因有軸系對(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??偨Y(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)行以來未曾發(fā)生過振動(dòng)異常故障;② B泵在未開啟出口閥時(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)后出口閥開啟1/5開度時(shí)即開始出現(xiàn)異常振動(dòng),出口閥開至一半時(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大致汽蝕的可能性等曾拆卸過B泵入口過濾網(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,振動(dòng)故障就會(huì)表現(xiàn)出來,甚至是日益惡化的;③ B泵開啟出口閥1/5開度時(shí)即開始出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象,出口閥開至一半時(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,開啟出口閥意謂著打開流體通道,B泵開始輸送介質(zhì),介質(zhì)流動(dòng)過程中產(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,葉輪通過頻率為葉片數(shù)×工頻,即B泵葉輪通過頻率為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),降低葉輪通過頻率即3X的振值,即能消除B泵振動(dòng)大故障。

葉輪通過頻率振動(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)生葉片通過頻率的多倍頻振動(dòng)。對(duì)于普通離心泵來說,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)。通過這些分析,技術(shù)人員認(rèn)為B泵可能存在葉輪直徑過大而致葉片與蝸舌間隙過小,一旦B泵開啟并打開出口閥,液體流動(dòng)過程中就出現(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泵運(yùn)行只要開啟出口閥振動(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,不能通過進(jìn)一步減小葉輪直徑的方法來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

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)和解決問題的方向,并通過與A泵進(jìn)行對(duì)比,最終確定B泵故障原因?yàn)槿~輪直徑過大以及葉片與蝸舌間隙過小。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)期以來的技術(shù)難題,保障了合成氨裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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