离心泵故障分析与研究

离心泵故障分析与研究
发表时间：2019-12-12T14:27:27.277Z 来源：《科学与技术》2019年第15期作者：何静[导读] 针对离心泵振动故障，分析不同振动因素对应的不同振动特征，通过振动频率与基频的对比，判断故障的原因。

[摘要]针对离心泵振动故障，分析不同振动因素对应的不同振动特征，通过振动频率与基频的对比，判断故障的原因。

主要阐述了转子不平衡、转子弯曲、转子不对中、转子摩擦及其他等振动因素的故障原因、振动频率特征及治理措施，例举转子不平衡和转子摩擦两个维修实例。

[关键词]振动故障分析；振动频率；振动特征；维修实例
离心泵是管道原油运输的主要设备，结构复杂，监测参数多。

其中，振动是一项能够反应设备运行状态的重要参数，振动的速度值、频率等蕴藏着设备的运转信息，是分析判断离心泵故障的重要渠道。

在日常设备巡检中，一般用测振仪测量离心泵的振动速度值（单位：mm/s），与设定值对比判断设备运行是否良好。

振动的另一项重要特征：频率，因对测量仪表及处理系统要求较高，现在一般无法进行数据采集。

本文主要论述离心泵故障时，利用振动分析仪测量振动频率，对比不同振动故障表现出的不同频率特征，准确判断设备故障，进行针对性维修，提高维修效率。

1 振动的概念及基本特征
1.1振动
振动是指物体的周期性往复运动。

工业设备因内力和外力的作用，会发生振动，一般是指转子、外壳、管道及基座系统的周期性运动。

振动会导致机械零件产生周期性应力，造成疲劳失效。

如果振动引起的运动十分剧烈，还会造成机械零件发生意外接触，导致零件磨损，乃至损坏。

1.2频率
频率是指单位时间内振动的重复率。

此时间称为周期（以T表示），频率?的单位是周期数/s或者赫兹（Hz），并且两者之间互为倒数，即?
=1/T。

通常使用一些术语来描述机械运动中的频率的范围：
同步或1X:与转子速度相同，X相当于数学中的乘号。

一般1X读作“1倍转子速度”。

异步：1X以外的任意频率。

次同步：小于1X的任意频率。

可以是简单的整数比（如X等），小数比（如0.3X等）或者次谐波。

超同步：1X以外的任意频率。

可以包括简单的整数比（如X），小数比（如1.7X），如超谐波。

分谐波：小于1X的整数比频率，其中分子为1.如X、X 等。

超谐波：大于1X的整数倍频率。

如2X、3X等。

2 转子不平衡引起的振动
2.1 振动机理
所有的旋转设备中都存在不平衡，当由于不平衡引起的振动超过允许的限制或者数值时，就要进行设备的平衡整治，降低设备的振动值。

理想的设备转子应具有对称的几何形状和均匀的径向质量分布，在每一个径向平面上，所有的几何中心应当与质心（质量中心）相重合，在没有其他因素的影响下，转子能够以任意的速度，绝对平稳的旋转且没有振动。

在实际生产中，转子的径向质量分布是不均匀的，主要原因有：一是铸件或锻件材料的孔隙导致的非均匀质量分布；二是制造公差，包括加工误差和累积误差；三是键槽、键、销子等导致的非对称结构。

根据有关的运动微分方程推导可得出其转子不平衡主要振动特征如下：振动的时域波形图为正弦波、频谱图中谐波能量集中于基频，即1倍频（1X）、当工作转速一定时，相位稳定。

根据《旋转机械故障机理及诊断技术》，转子不平衡分为先天和后天原因，先天即转子质量偏心的振动特征，后天为转子部件缺损的振动特征【1】，两者表现出的不同振动特征如表1所示。

2.2故障原因分析以及治理措施
2.2.1转子质量偏心的故障原因及治理措施
根据工作经验总结，引起转子质量偏心的故障原因主要有以下几点：（1）设计制造原因：结构不合理，制造误差大，所用材料材质质量差，材质不均匀，后期校正动平衡的精度较差。

（2）安装维修原因：转子上零件安装错位。

（3）运行操作原因：转子回转体结垢，或粘结异物。

（4）机器劣化原因：转子零件配合松动。

主要治理措施：
（1）转子除垢清洁，并对转子进行修复。

（2）按技术要求对转子进行动平衡实验。

2.2.2 转子部件缺失的故障原因及治理措施
（1）设计制造原因：结构不合理，制造误差大，所用材料材质质量差，材质不均匀。

（2）安装维修原因：转子有较大的预负荷。

（3）运行操作原因：超速、超负荷运转；零件局部损坏脱落。

（4）机器劣化原因：转子受腐蚀疲劳，应力集中。

主要治理措施：
（1）对转子进行修复。

（2）按技术要求对转子进行动平衡实验。

（3）正确操作设备，使设备处于最佳运转区间。

3. 故障原因分析以及治理措施
3.1转子永久性弯曲
故障原因：
（1）设计制造原因：结构不合理，制造误差大，所用材料材质质量差，材质不均匀。

（2）安装维修原因：转子长期存放不当，发生永久性弯曲变形。

（3）运行操作原因：高速高温机器，停机后未及时盘车。

（4）机器劣化原因：转子热稳定性差，长期运行后自然弯曲。

主要治理措施：
（1）正确存放转子，科学管理。

（2）校直转子。

（3）按照技术要求进行动平衡。

3.2转子临时性弯曲
故障原因：
（1）设计制造原因：结构不合理，制造误差大，所用材料材质质量差，材质不均匀。

（2）安装维修原因：转子有较大预负荷。

（3）运行操作原因：升温过快，加载太大。

（4）机器劣化原因：转子热稳定性差，长期运行后自然弯曲。

主要治理措施：
1.重新开机启动。

2.将转子转动90°再启动。

4 转子不对中引起的振动
4.1 振动机理
机组各转子之间由联轴器构成轴系，传递运动和转矩，由于机器的安装误差，承载后的变形以及基础的沉降等原因，造成各转子轴线之间产生轴线平行位移、等轴线角度位移或者综合位移等对中误差，转子不对中，使转子受力和相应的支承（轴承）也受力，这种力是转子振动以及轴承早期损坏的重要原因。

联轴器处于平行不对中，轴发生偏移造成曲轴。

支承部件（轴承）受力发生变化，一个轴承载荷上升，另一个轴承载荷下降，导致轴承磨损情况不一致，温度异常。

4.2故障原因分析以及治理措施
转子不对中的故障原因主要是：
（1）设计制造原因：对机器的热膨胀量考虑不够，给定的安装对中技术要求不准。

（2）安装维修原因：安装精度未达到技术要求，对热态时转子不对中变化量考虑不够。

（3）运行操作原因：超负荷运行，机组保温不良，各旋转轴热变形不一致。

（4）机器劣化原因：装备基础或机座沉降不均匀，使对中数据超差；环境温度变化大，机组热变形不同。

主要治理措施：（1）机组冷态对中时，考虑热态不对中变化量。

（2）按照技术要求调整轴系转子的对中量，重新对中。

5 维修实例
在日常的输油泵故障维修工作中，从SCADA系统的的振动监测，只能反映出振动的速度值，不能体现出振动的特征。

针对降低振动值无法消除故障的情况，需要配备可以对振动实时测量、进行瞬时分析的设备，对数据进行进一步的采集分析。

振动数据可以采集径向（垂直、水平）和轴线的振动速度值，以及提取振动能量集中的频率并显示实时频率波形图。

5.1 转子不平衡维修实例
某站输油泵运行中发生异响，声音大而尖锐，值班人员紧急停泵。

维修过程：查看SCADA系统数据采集相应时间泵振动情况，驱动端和非驱动端振动没有突变，振动值没有超标；仅驱动端振动值约有1mm/s的增大值。

从监测数据看虽未有明显异常，但泵已经停运，根据经验对驱动端、非驱动端轴承等部件进行检修，滑动轴承状况良好，对其进行刮研修整。

维修完成立即进行试运。

第一次启运，在转速上升的过程中在现场能听到短时油流激荡的声音，运转平稳后声音消失。

查看振动数据在3-4.5mm/s，虽不超标，但是在上区间。

运行几小时后振动超标达到7mm/s，停泵处理。

决定第二次启运时，使用振动分析平台到现场进行启泵测量运行数据。

启运后转速上升期油流激荡声音依旧出现，转速平稳后消失。

此次出现泵体振动增大，驱动端、非驱动端振动峰值达到8mm/s经过振动分析平台取数据分析结果，根据ISO10816振动烈度判断,设备不可长时间连续运行，测点（2H）显示有不平衡症状。

参考文献：
[1] 韩捷,张瑞林等著.旋转机械故障机理及诊断技术[M].北京：机械工业出版社：1997
[2] Donald E.Bently,Charles T.Hatch 著.姚红良译.旋转机械诊断技术[M].北京：机械工业出版社：2014。