离心泵振动故障诊断及解决措施

张胜国，张绍英，傅立峰，朱秀庆

(荣盛石化股份有限公司，浙江杭州 311247)

离心泵具有性价比高、流量均匀、结构简单、运转可靠和维修方便的优点，因此广泛应用在聚酯工业生产中。由于聚酯工艺必须保证装置连续性生产，因此其在线设备必须可靠、稳定、经济、安全运行。设备进行计划性检修前的运行周期内要少发生甚至不发生故障。

EG循环泵(位号：1252-P01A/B)是PET生产装置预缩聚工艺生产阶段真空系统的关键设备之一，其运转可靠性影响真空系统乃至整套PET生产装置运转的稳定性。

1 EG循环泵故障简介

EG循环泵(位号：1252-P01A/B，AB两台离心泵互为备台)，单台运行，定期切换。该泵属于单级卧式离心泵，由电机、联轴器和泵体组成，额定流量212 m3/h，中心高320 mm，电机转速2 975 r/min，功率110 kW。

两台EG循环泵自投产运行以来一直存在振动值偏高的问题，尤其是1252-P01A泵振动严重超标，经过多次常规捡修问题依然存在，无法长周期运转，仅作为B泵故障检修时的应急备台使用。

离心泵的异常振动是诱发其他故障的主要原因，曾发生由于离心泵的异常振动导致泵连接体产生裂纹、泵轴轴承异常损坏、轴承抱轴、转轴横向裂纹、机械密封短时泄漏、连接管路振动、焊口开裂、连接部件松动、基础裂纹、地脚螺栓松动或电机损坏等故障，严重影响设备的稳定运行，并由此带来相应的维修费用的增加，以及由于设备故障造成的停产损失。甚至会因物料外漏导致严重的安环事故，给企业带来重大的经济损失。

2 离心泵振动检测

离心泵的常见故障有：转子不平衡、转子不对中、转轴弯曲、转子支撑部件联接松动、机械密封动静件摩擦及轴承等主要零部件的故障，这些故障的主要特征是机器伴有异常的振动和噪声。其振动信号从时域、频域反映了离心泵的故障信息，其中时域分析主要解决离心泵的运行状态问题；对设备故障类型、部位和原因的判断需要选择频域分析，即频谱分析是判断离心泵故障相关内容的重要方法。

文献[1]提供了不同故障的特征频率的判断依据。

(1) 不平衡：振动频率为工频(转子旋转速频率)，水平和垂直方向振动的相位差为90°。

(2) 联轴器不对中：联轴器平行不对中时振动频率为二倍频。联轴器偏角不对中使转子在轴向产生工频振动。平行偏角不对中是以上两种情况的综合，使转子发生径向和轴向振动，其轴向振动相位差为 180°，而径向振动为同相位，这是角度不对中独有的特征。

(3) 轴承座不对中：振动频率主要是工频，并伴有二倍频和三倍频：滚动轴承不对中还将出现n倍频，径向和轴向都会有较大的振动。

(4) 轴弯曲：振动频率主要是工频，还会出现二倍频和三倍频，一般情况下三倍频高于二倍频。

(5) 基础松动：以工频振动为主，径向较大，垂直更明显，轴向振动很小或正常。

(6) 轴承松动：轴承在轴承座中松动，振动将始终保持工频和二倍频。

(7) 转子组件松动：振动频率主要是工频，可能伴有倍频或1/2、1/3等分数倍频。

现场故障分析中需对离心泵振动频率进行测试，振动频率和机器故障的关系并不是一一相对应的。某一特定频率的振动，可能和多种机器的故障有关联。需根据测试结果分析导致振动的主要原因。

3 振动检测及原因分析

适时对1252-P01A泵实施离线测试，测试结果如下。

离心泵驱动端(图1测点1)振动数值为：垂直方向振动8.3 mm/s，水平方向振动14.1 mm/s。

流体端(图1测点2)振动数值为：垂直方向振动7.6 mm/s，水平方向振动11.8 mm/s。

图1 EG循环泵不同的测点示意图1：离心泵；2：联轴器；3：电机

离线检测的振动图谱如图2所示。

图2 泵端速度频谱及时域波形

对于离心泵故障类型的判断，选择工频频谱分析方法是有效实用的，因为离心泵的不同故障类型都对应有相应的特征频率。同时离心泵故障所引起的振动多为强迫振动，强迫振动的振动频率和输入工频是相等的，这为故障类型的判断提供了重要的理论基础[2]。

分析离线检测离心泵所选部位的速度有效值数据，泵端振动严重超标，尤其水平方向。所测量的频谱中以电机的工频振动幅值最大，且二倍频和三倍频幅值较大，同时在时域中冲击较明显；水平方向与垂直方向振动相位差接近180°。联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。平行不对中时振动频率为转子工频的两倍(二倍频)。偏角不对中使联轴器附加一个弯矩，以力图减小两个轴中心线的偏角。轴每旋转一周，弯矩作用方向就交变一次，因此，偏角不对中增加了转子的轴向力，从而在两端轴承的轴向上产生很强的工频振动和较弱的二倍频振动。角度不对中同样会在径向上产生较强的工频和二倍频振动。平行偏角不对中是以上两种情况的综合，使转子发生径向和轴向振动，主要特征频率为工频、二倍频和三倍频。

初步判断1252-P01A泵的振动故障为联轴器平行偏角严重不对中(偏心)引起。

4 排查及措施

4.1 联轴器简介

1252-P01A泵采用带中间短轴的加长型梅花形联轴器，联轴器外径是φ140 mm。梅花形联轴器是将一个整体的梅花形弹性环装在两个形状相同的半联轴器的凸爪之间，通过凸爪与弹性环之间的挤压传递动力，通过弹性环的弹性变形补偿两轴相对偏移，实现减振缓冲。为了实现不拆除电机检修离心泵，在离心泵与电机联轴器之间增加一短轴，分别与离线泵、电机联轴器相联接。带中间短轴的梅花形联轴器如图3所示。

图3 带中间短轴的梅花形联轴器1:电机端有对中榫凸缘联轴器；2:泵端梅花形联轴器；3:短轴；4:短轴梅花形联轴器

4.2 不对中原因分析

对泵端与电机端联轴器打表测量，数值均<0.05 mm，符合技术要求。重新启动离心泵，测量离心泵振动值依然严重超标，不能正常运行。

1252-P01A泵的对中找中心过程为：首先对联轴器1、联轴器2进行找中心(需制作专用的找中心架子)，再将装配有梅花形联轴器4的短轴3与联轴器1装配连接，短轴3与联轴器1配合精度靠榫槽与凸缘机加工精度保证，通常不会测量短轴3与联轴器1的同心度。

在实施对中找中心的过程中，发现短轴3连接法兰的凸缘(与电机端联轴器1的榫槽配合面)的尺寸精度不足，技术要求的配合公差为H7/js6；同时又在使用、维护过程中造成连接法兰凸缘的损伤，导致联轴器端面与轴中心线不垂直。在安装过程中，螺丝拧紧后，导致加长型梅花形联轴器的质量中心线与电机旋转轴不重合，产生偏心质量m与偏心距e。当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两者兼而有之。离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转角速度ω的平方成正比，即F离心力=meω2。交变的力(方向、大小均周期性变化)会引起振动，这就是不平衡引起振动的原因。转子转动一周，离心力方向改变一次，因此不平衡振动的频率与转速相一致。短轴3越长，偏心质量m越大，偏心距e越大，联轴器端面在运行中晃动越大，产生的激振力越大。短轴联轴器的运动受泵端联轴器的束缚，短轴联轴器反作用于泵轴上的不平衡力偶就越大；同时平行偏角不对中(见图4)越严重。由于存在严重不平衡和不对中故障，表现出大幅值的工频和二倍频。

图4 加长型联轴器平行偏角不对中示意图

在EG循环泵启动后，偏心联轴器高速旋转会产生较大的挠曲变形同时产生附加力矩，附加力矩导致联轴器1与短轴2紧固螺栓松动，加剧离心泵轴的振动。

除以上导致不对中的故障原因外，还有以下几点原因需关注：1)轴器连接螺栓的周向间距不良，对称性被破坏；2)联轴器加长节偏心，将会产生偏心力；3)弹性销和联轴器的配合过紧，使弹性柱销失去弹性调节功能造成联轴器不能很好地对中；4)联轴器与轴的配合间隙太大；5)联轴器上使用的传动螺栓质量互相不等。

4.3 处理措施

针对联轴器不对中的问题，我们将梅花形联轴器更换为双膜片联轴器(结构图见图5)。膜片联轴器是靠膜片的弹性变形来补偿所联结两轴的相对位移。双膜片联轴器能补偿主动机与从动机之间由于制造误差、安装误差、承载变形以及温升变化的影响等所引起的轴向、径向和角向偏移。

图5 双膜片联轴器结构图

任何回转零部件的惯性主轴与旋转轴线之间都有偏心，它在运转时产生的不平衡惯性力矩必将引起传动轴系的振动。运转过程中联轴器膜片所受附加应力的大小与两轴相对角位移、两轴相对轴向位移、两轴相对径向位移有关，还与联轴器的螺栓数、膜片厚度、联轴器螺栓分布半径等因素有关。

双膜片联轴器采用两端固定的结构，与带中间短轴的加长型梅花形联轴器相比，减小了悬臂质量、水平和垂直方向产生的附加位移偏差也减小。

更换双膜片联轴器后，启动EG循环泵，测点1振动值为：垂直方向振动1.4 mm/s，水平方向振动3.2 mm/s；测点2振动值为：垂直方向振动1.8 mm/s，水平方向振动3.0 mm/s。较检修更换前所测数值大为改善。

5 效果评价

通过对1252-P01A泵的振动检测，判定故障原因为联轴器不对中，采取更换双膜片联轴器的措施。更换双膜片联轴器后，离心泵最大振动值一直处于3.9 mm/s以下，1252-P01A泵实现了长期、连续、稳定、可靠运行。作为应用推广，目前已经成功将带中间短轴的加长型梅花形联轴器全部更换为双膜片联轴器。

对离心泵进行振动检测与故障诊断有着重要意义。振动检测技术能快速而准确地定位故障源、诊断出故障原因和损伤程度，根据诊断结果制定相应的预防和维修措施，及时地排除设备事故隐患、预防设备恶性事故，实现离心泵的预知维修。振动检测与故障诊断技术提高了离心泵故障诊断的效率，有效避免设备突发事故，减少计划外停机时间，避免和减少非计划停产造成的经济损失。