冷凝液泵開啟出口閥振動高故障分析與處理

羅偉雄，石寬寬，馮 寶，劉長鑫

(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，汽輪機驅動的大機組主要有合成氨裝置合成氣壓縮機、氨壓縮機及尿素裝置CO2壓縮機，其中，合成氣壓縮機為日本三菱重工制造，合成氣壓縮機組汽輪機為抽汽冷凝式，進入汽輪機的高溫高壓蒸汽做功后被表冷器冷凝成約51 ℃的冷凝液，經冷凝液泵A/B輸送至公用工程系統的混床處理后重新利用。實際生產中，冷凝液泵B啟動后，當其出口閥開啟到一定開度后，泵體出現振動迅速增大的現象，故冷凝液泵B一直處于備用狀態，檢修人員曾反復進行過各種檢查及處理，均未能消除故障；后經技術人員不懈努力，分析冷凝液泵B的頻譜圖，結合其故障現象及與冷凝液泵A進行對比，找到了其異常振動的原因，并徹底消除了故障，使冷凝液泵B能夠正常投運。以下對有關情況作一介紹。

1 設備概況

華鶴煤化合成氣壓縮機組汽輪機系統配套冷凝液泵由大連蘇爾壽泵及壓縮機有限公司制造，共有2臺，正常情況下一開一備，為常見的單級單吸懸臂式離心泵，型號為ZF40-2315，揚程113 m、汽蝕余量2.19 m，流量25.3 m3/h，轉速2 969 r/min，配套電機功率35 kW。冷凝液泵輸送介質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，葉輪和軸為馬氏體不銹鋼材質，驅動側為2個背靠背安裝的角接觸球軸承，葉輪側為圓柱滾子軸承，可軸向熱膨脹；軸承箱驅動側安裝有1臺冷卻風扇對軸承箱進行冷卻，軸承箱兩側油封采用銅質迷宮密封，軸端密封為普通型機械密封。

2 故障現象

冷凝液泵A(簡稱A泵)運行過程中機械振動、溫度及噪音正常，工藝參數如流量、壓力也符合要求，一直以來均無異?，F象。冷凝液泵B(簡稱B泵)則出現振動異常故障，工藝操作人員按程序啟動B泵，不開啟出口閥狀態下，泵體的垂直和水平振動速度均不超過1.6 mm/s，但按操作規程繼續緩慢打開出口閥后，泵體隨即開始出現振動增大，出口閥開至一半時，泵體驅動側水平振動速度已達9 mm/s以上(以下振動數據表述均為驅動側水平振值)，B泵輸送的流量及壓力均符合工藝要求，電機振動狀況及運行參數均正常。據了解，幾年來B泵已經過多次檢修處理，均未能消除振動異常故障，其振動烈度為《機械設備振動分級標準》第二類(中型機器15～75 kW)D級不合格狀態[振動烈度分級：A級(良好)，振動速度0～1.12 mm/s；B級(允許)，振動速度1.12～2.80 mm/s；C級(較差)，振動速度2.80～7.10 mm/s；D級(不合格)，振動速度7.1～71.0 mm/s][1]，由于不滿足設備運行要求，B泵一直作為緊急備用設備，正常生產情況下均是A泵運行，由此A泵只能在合成氨裝置計劃停車時才能同期安排計劃檢修，這種不正常狀況已持續了幾年，無疑給合成氨裝置的安全運行帶來嚴重威脅。

3 原因分析

泵體振動大是懸臂式離心泵最常見的故障之一，泵體振動大有各種各樣的原因，常見的原因有軸系對中找正超差、電機座不平或電機支腳不平、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/出口管道及冷卻器是否堵塞、基礎重做及進/出口管道重新配管以消除管道應力等，均未能有效解決B泵振動大故障。

在經過更換配件等各種處理未能有效解決故障后，技術人員使用新到的頻譜分析儀采集B泵振動數據進行分析，并重新梳理故障現象?？偨Y與梳理出B泵故障現象四個方面的重要信息：① 工況相同的A泵自運行以來未曾發生過振動異常故障；② B泵在未開啟出口閥時振動正常，振動速度很小，只有1.2 mm/s；③ B泵啟動后出口閥開啟1/5開度時即開始出現異常振動，出口閥開至一半時振動速度達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)處振動有明顯響應且占絕對主導地位，其他倍頻很小。

綜合上述信息進行深入分析：① 工況相同的A泵從未發生過振動異常故障，表明工藝設計、操作程序及工藝參數等方面不是造成B泵振動大的原因，如入口壓力、入口流量、介質溫度，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，由此可排除工藝方面造成B泵振動大的可能；② B泵在未開啟出口閥時振動是正常的，振動速度很小，只有1.2 mm/s，表明B泵不存在軸彎曲等機械方面的問題，包括葉輪不平衡、軸承損壞、零件松動及對中不良等，這是因為機械損壞及缺陷是永久性的，只要泵啟動起來，振動故障就會表現出來，甚至是日益惡化的；③ B泵開啟出口閥1/5開度時即開始出現異常振動現象，出口閥開至一半時振動速度達9 mm/s以上，對于這個現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，介質流動過程中產生了振動大現象，而關閉或關小出口閥振動馬上變小，為此也曾對B泵進/出口管道的堵塞情況、泵出口止逆閥與進/出口閥是否損壞及卡澀進行過檢查，均正常，故可排除這些缺陷因素干擾了液體的流動而致B泵振動大的可能；④ 頻譜分析儀采集的頻譜顯示，在大約150 Hz、3X處振動分量響應明顯且占絕對主導地位，其他倍頻很小，將B泵振動頻譜圖與機械故障四種典型頻譜圖[1]進行對比，振動頻譜圖中3X很明顯，與機械故障典型圖譜的四種情況--不平衡頻譜圖(1X主導)、不對中頻譜圖(2X主導的同時明顯伴隨1X和3X)、軸彎曲頻譜圖(1X主導的同時明顯伴隨2X)、零件松動頻譜圖(2X主導的同時明顯有1X、3X和0.5X伴隨)有明顯不同，由此葉輪不平衡、對中不良、軸彎曲及零件松動引起振動大的可能可以排除。

進一步分析與探討，B泵啟動后開啟出口閥出現振動異常增大現象，頻譜分析儀采集到的故障響應頻率約150 Hz，B泵工頻為2969/60=49.48 Hz；冷凝液泵葉輪為3葉片結構形式，葉輪通過頻率為葉片數×工頻，即B泵葉輪通過頻率為3×49.48=148.45 Hz，而150 Hz為B泵振動的3X，3X處的振動速度達2.2 mm/s，約為總振動速度4.421 9 mm/s的1/2。由此可以確定，B泵異常振動與葉輪有關，降低葉輪通過頻率即3X的振值，即能消除B泵振動大故障。

葉輪通過頻率振動是流體機械流道內產生壓力脈動所誘發的高頻振動，其頻率是整圈葉片數與轉速頻率的乘積，即每個葉片通過流道突變或不連續處就產生一次壓力脈動，如果流道有多個突變或不連續處，則可能產生葉片通過頻率的多倍頻振動。對于普通離心泵來說，蝸殼上的蝸舌就是一個流道的突變，葉輪上的葉片每經過蝸舌就產生一次振動，B泵葉輪上有3個葉片，每轉一圈就會產生3次振動即3X，3X振動與葉輪上的葉片與蝸舌間隙大小有關。通過這些分析，技術人員認為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，液體流動過程中就出現3X振值增大的異?，F象。于是，提議在合成氨裝置停車大修時同時解體檢查A泵與B泵，比較2臺冷凝液泵葉輪直徑的大小。

4 故障處理

據以上分析結論，2022年7月華鶴煤化合成氨裝置計劃停車大修期間，2臺冷凝液泵同時進行解體檢查，發現A泵與B泵的葉輪直徑確實存在不同--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泵運行時振動正常、而B泵運行只要開啟出口閥振動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B泵并打開出口閥，經測量，其振動速度降至約3.9 mm/s(原最大值超過9 mm/s)，但仍未達到《機械設備振動分級標準》第二類(中型機器15～75 kW)中的B級允許范圍內(振動速度1.12～2.80 mm/s)。為將B泵振值降至良好范圍，特別是當前已找到了故障處理方向，決定繼續進行處理，以徹底消除故障。B泵當前出口壓力0.75～0.80 MPa，剛好滿足工藝要求，不能通過進一步減小葉輪直徑的方法來增大葉片與蝸舌間的間隙了，當前B泵葉片與蝸舌間隙為8.5 mm，經查《石油、石化及天然氣工業用離心泵(API610-2010)》(第11版)中的規定[2]，對于蝸殼式泵，葉片與蝸舌間隙至少為葉輪半徑的6%，即最小值應為308÷2×6%=9.24 mm，而經測量蝸舌厚度為4.1 mm，于是，決定采用砂輪機打磨的方式適當減小B泵蝸舌厚度約1 mm，將B泵葉片與蝸舌間的間隙調整為9.5 mm左右；同時，對照檢修A泵時的照片，發現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行，這也是A泵振動較小的原因。B泵蝸舌經適度打磨檢修后，經試車及長時間運行檢驗，其振值有了較大降幅，即使全開出口閥其振動速度也只有2.0 mm/s左右，滿足設備管理要求，B泵可投入正常運行。

5 結束語

華鶴煤化合成氣壓縮機組汽輪機系統配套冷凝液外送泵(B泵)打開出口閥即發生異常振動故障，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備，危及系統安全運行。后經技術人員的不懈努力，采用頻譜分析儀采集B泵的振動頻譜圖，通過對其振動頻譜圖的分析與研究，有了新的認識和解決問題的方向，并通過與A泵進行對比，最終確定B泵故障原因為葉輪直徑過大以及葉片與蝸舌間隙過小。利用系統大修機會調整B泵葉輪直徑及葉片與蝸舌間隙后，成功解決了長期以來的技術難題，保障了合成氨裝置的安全穩定運行。