大型卧式循环水泵振动大原因分析及处理方法探究

李媛

（山东华电节能技术有限公司 山东济南 250000）

1 卧式循环水泵的工作原理和技术优势

1.1 工作原理

循环泵是输送反应、吸收、分离、吸收液再生的循环液用泵，它的扬程较低，只是用来克服循环系统的压力降。以常见水泵为例，工作原理是：泵壳内充满水，启动后叶轮高速旋转，入口处水压降低，沿着叶轮半径方向的水压提高，在压力差的作用下，进水管内产生一定吸力。低处水推开进水阀门，沿着水管进入泵壳；然后经叶轮甩进出水管，将低处的水抽向高处。一种卧式节能循环水泵的结构组成如图1所示。

图1 卧式节能循环水泵的结构示意图

1.2 技术优势

卧式循环水泵运行时，技术优势包括如下几点。（1）进水口、出水口、流道经特殊处理，水流进入泵壳更加顺畅，抗汽蚀性更好。（2）转子的重量减轻，泵组径向力减小，能提高轴承的使用寿命。（3）转子运行时的挠度值减小，能减轻叶轮口环的磨损度，降低功率损耗［1］。（4）降低液体输送过程中的体积损失、机械损失和水力损失。（5）用于实际生产中，初期投资低，运行稳定，检修维护方便。

2 卧式循环水泵振动超标的原因

卧式循环水泵运行时，振动超标的原因较多，综合相关研究报道，这些原因可分为四大类：设计原因、安装原因、运行控制原因和设备本身原因。

2.1 设计原因

第一，入口压力过低产生汽蚀。循环水泵设计时，如果液面较高，进口管道阻力大，就会降低入口压力。该压力达到一定数值，进口水发生汽化，会形成大量气泡。在叶轮作用下，气泡前进到达高压区会缩小、破裂，周围液体快速填充，会造成水力冲击，导致振动超标。

第二，管道柔性大产生共振。循环水泵在运行时，本身会产生一定振动，这种振动较小，不会影响运行安全。但是，如果构件固定不牢，这些小振动经液体传递给管线，而管线柔性较大、刚度较小，就会引起结构共振，导致振动超标。

第三，管道位置设计不合理。循环水泵的进出口管道设计有问题，造成入口流量不均匀，运行过程中偏离额定工况点，泵内水的流态异常，在强烈的水力波动下导致振动超标。

第四，基础刚性过小。底座及锚固件是循环水泵的基础，通常浇筑在混凝土结构中。实际生产中，各个系统同时运行，各种振动会通过基础造成影响。如果基础刚性过小，或者发生松动，随着振动加剧，就会导致振动超标［2］。

2.2 安装原因

第一，对中偏差。（1）电机和循环水泵对中偏差。电动机的动力通过联轴器传递给泵体，安装时，对电机和循环水泵的对中精度要求高。出现对中偏差后，会影响联轴器的平衡状态，为了补偿偏差，联轴器会发生协调变形，产生协调应力。该应力作用在电机和泵体上，就会导致振动超标［3］。（2）进出口管线和泵中心偏差。循环水泵使用过程中，在外力或其他因素的影响下，壳体会发生变形，导致转子和壳体之间发生偏差。试车时，会发现水平振动大于垂直振动、轴向振动，而且这种振动具有周期性。

第二，基础偏心。循环水泵固定在基础上，随着使用时间延长，基础发生不均匀沉降，会导致基础的位置偏移或高程改变，电机和循环水泵之间对中超差，也会造成振动超标。

第三，基础松动。循环水泵的基础重量轻、地脚螺栓固定不牢，或安装过程形成弹性基础，或在水的作用下降低了基础刚度，此时，水泵产生一个临界转速，和振动相位相差180°，导致振动频率增加［4］。

第四，联轴器故障。联轴器的作用是把水泵轴、电动机轴联系起来，实现扭矩传递的效果。如果联轴器出现以下问题，即：（1）连接螺栓的间距不合理，发生对称性破坏；（2）加长节偏心，产生偏心力；（3）锥面度超差；（4）动/静平衡不好；（5）弹性销和联轴器之间过紧，影响弹性销的弹性调节；（6）联轴器和轴之间的间隙过大；（7）胶圈发生严重磨损；（8）传动螺栓质量差，均可能导致联轴器不同心，造成振动超标。

第五，安装不规范。（1）出口管道支架的刚度小，发生较大变形，导致管道压在泵体上，造成电机、泵体破坏。（2）安装进出口管道时，管道和泵体之间产生较大应力。（3）进出口管线的支吊架，安装情况和设计不相符，出现局部松动、约束刚度减小等情况，都可能引起振动超标。

2.3 运行控制原因

第一，进出口管道内有空气。水泵进口管道的放气管关闭，或充水时有残留的空气，水泵运行时，空气在压力、流速作用下压缩。随着压力和流速变化，空气团的体积也会变大变小，导致水流速度改变，引起水击现象和振动超标。一般情况下，少量空气会随着水流运行被带走，振动现象逐渐减弱、直至消失。如果振动持续存在，说明积存的空气较多，应打开放气阀排出。

第二，进口压力不足。进口管道堵塞，入口滤网阻力过大，会导致进口压力不足，该数值明显低于泵的有效汽蚀余量。如此，泵内水体汽化，就会产生汽蚀现象，此时，可听到泵内有异常响声，尤其进口处的振动过大［5］。

第三，阀门的阀板掉落。关断阀、止回阀的阀板掉落会影响管道的通流能力，掉落位置形成节流，导致入口压力减小、泵流量减小，继而引起汽蚀现象，或偏离额定工况，造成振动超标。

第四，实际流量过大。水泵运行时，实际流量严重超出额定流量，如入口处电动阀关小、出口流量值过低等，就会导致振动超标。

第五，润滑效果差。轴承部位的润滑油杂质含量高，或者发生变质，因润滑效果差造成工况恶化，就会引起振动超标［6］。

2.4 设备本身原因

第一，轴承松动损坏。轴承的作用是承担轴向力和径向力，一旦轴承松动、损坏，会直接带来振动问题，并伴有异常声响、发热等现象。水泵运行时，如果轴承温度超出额定温度，会加快磨损速度，造成振动超标。

第二，叶轮腐蚀。叶轮和水流直接接触，如果流道受到冲刷腐蚀，可能导致叶轮偏心，导致振动现象加强。

第三，轴瓦间隙不合适。在滑动轴承上，轴瓦顶部间隙过小，轴和上瓦接触产生的摩擦力，和转子的旋转方向相反，转子就会产生振动。轴瓦间隙过大，无法形成工作油囊，因干摩擦也会引起振动。

第四，平衡装置失效。平衡装置的作用是叶轮运转时平衡轴向力，如果该装置失效，如出力不足、超电流、效率降低等，就会引起振动。

第五，转子动不平衡。转子的质量中心偏离了轴线，会产生偏心质量，高速转动时偏心质量转化为离心力，在离心力作用下轴承就会振动［7］。常见现象有转子产生不平衡量、叶轮和轴之间的间隙变大、泵轴变形弯曲、叶轮磨损等。

第六，电机故障。因电机故障引起的振动超标，主要包括如下几点。（1）电机零部件损坏或松动，如铁芯松动、定位装置松动、结构件松动等。（2）转子和定子的绕组中心线发生偏差，两者的中心不对应，会产生不均匀的磁场，转化为激振力引起振动超标。

3 大型卧式循环水泵振动大问题的实例分析

3.1 项目概况

某火电厂内，一期工程有两台1000MW 的发电机组，每台机组配置3台大型卧式循环水泵，以保证冷却水系统正常运行。该水泵是单级混流泵，由三相异步电动机提供动力。电动机的额定功率是3200kW，额定电压是10kV，额定电流是300A，功率因数为0.9，最大转速为370r/min。机组于2018年7月正式投运，运行稳定。2021年10月进行二期工程建设，设备和一期工程相同，建成后水泵试运转时出现异常振动，遂进行停机检修。

3.2 振动现象

10月5日，循环水泵经过电机试转、泵低速试转，各项数据正常；然后高速运行，3个水泵均出现故障。

（1）A循环水泵开启后，联轴器侧的振动幅度明显增大，最大值为236μm，轴瓦温度升高至87℃，技术人员紧急关停。现场检查发现：水泵地脚处发生移位，泵体向冷却塔的方向移动3mm，电机地脚处没有移位情况。对联轴器外罩打开检查，发现泵轴、电机轴的中心发生偏差，泵轴向入口处偏移，且卡死盘不动。对轴承箱解体检查，发现联轴器侧的下轴瓦发生磨损，导致轴瓦跑偏，电机转子未见明显异常。

（2）B循环水泵开启后，联轴器侧的振动幅度明显增大，技术人员紧急关停。对联轴器外罩打开检查，发现泵轴、电机轴的中心发生偏差，泵轴向入口处偏移2mm。

（3）因A、B两台循环水泵均出现问题，未对C水泵进行高速运转试验，拆开联轴器外罩检查，发现泵轴、电机轴的中心发生偏差，泵轴向入口处偏移1mm。

3.3 原因分析

根据振动现象，结合现场检查和解体检查，分析振动大的可能原因有4个，对4个原因进行逐一排查。

（1）泵体和电机的轴系对中偏差。解体检查3 台水泵的泵轴、电机轴的中心均发生偏差，这是造成振动大的直接原因。但是，安装单位完成安装后，对联轴器进行复查，结果证实数据均符合要求，其中，对轮圆周≤0.05mm，张口≤0.03mm，且顺利通过低速运转试验，轴承振动和温度均正常，这说明泵体和电机的轴系对中偏差不是引起振动大的根源。

（2）电机轴承润滑差。该水泵电机轴承采用强制润滑，如果润滑油杂质含量高，或者油压不够，无法形成良好的油膜，就会造成轴瓦磨损，引起振动［8］。检查发现，电机润滑油单独循环，油品质量好，且没有异物，油压约为0.25MPa，并没有出现异常，可以排除这一原因。

（3）泵体及地脚螺栓质量问题。泵体和地脚螺栓出厂时均经过质量检验；安装前，在车间内进行整体试转，结果也符合要求，可以排除这一原因。

（4）进出口大小头管道固定不良。该循环泵现场安装时，进出口阀门采用独立的支撑系统。其中，进出管大小头的一侧和泵用螺栓连接固定，另一侧与橡胶膨胀节连接，大小头无独立支撑座，运行时的重量均由泵体承担。安装使用手册中，明确要求泵体不能支撑管道，在水流冲击作用下，大小头摆动引起泵体振动，并造成泵体移位，是本次故障发生的根本原因。

3.4 处理方法

明确振动大的原因后，处理方法是对进出口大小头管道进行固定，并且加装独立支撑，可行方案有两个。方案1：将橡胶膨胀节全部改为刚性管道，或在大小头管道加装独立支撑。处理后，大小头管道的两侧刚性连接，不会发生摆动，且管道重量由阀门支座承担，确保水泵稳定运行。方案2：锁紧橡胶膨胀节。处理后，循泵进出口橡胶膨胀节的限位螺栓打紧固定，膨胀节没有了轴向伸缩量，变成类刚性节管道，大小头管道得到固定，管道重量由阀门支座承担。

综合对比两个方案，为了加快进度、缩短工期，最终采用方案2，具体操作如下。（1）紧固水泵进出口橡胶膨胀节的限位螺栓，锁紧固定橡胶膨胀节，促使其刚性固定。（2）对水泵的轴系中心进行调整，严格满足设计要求，并对泵体、电机的地脚螺栓紧固。（3）A水泵解体检查后，对叶轮、口环卡死部位进行打磨修复，并且更换联轴器侧的轴瓦。

3.5 运行效果

处理后，再次对3台水泵进行高速运转试验，监测电机驱动端/非驱动端、泵驱动端/非驱动端的轴振幅度、轴承温度。分析监测数据，现场没有管道振动或异常声响，监控中心显示水泵的各项运行参数均正常。此后，水泵正式运行中，没有出现振动大、轴温升高等情况，说明振动大的问题解决。

4 结语

综上所述，循环水泵是工业生产中常用的一种设备，其中，卧式循环水泵具有多个技术优势。本文从设计、安装、运行控制和设备本身4 个方面，详细分析了水泵运行时振动大的原因，结合实际案例，介绍了相应的处理方法。希望通过本文，为相关企业的生产管理工作提供借鉴，及时明确故障原因，及时检修处理，保证水泵和整个系统稳定运行。