冷凝液泵开启出口阀振动高故障分析与处理.pdf

收稿日期 作者简介罗伟雄（），男，广东兴宁人，特级技师工程师。冷凝液泵开启出口阀振动高故障分析与处理罗伟雄，石宽宽，冯宝，刘长鑫（海洋石油富岛有限公司，海南 东方 ；中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗 ）摘要中海石油华鹤煤化有限公司 合成氨装置合成气压缩机组汽轮机系统冷凝液外送配套台单级单吸悬臂式离心泵（冷凝液泵 ，一开一备），实际生产中，冷凝液泵 一直运行正常，而冷凝液泵 启动后打开出口阀即发生异常振动故障，采取各种检修处理措施均未能解决该问题，泵只能用作紧急备用设备。后经技术人员的不懈努力，采用频谱分析仪采集 泵的振动频谱，通过对其振动频谱图及与 泵进行对比分析，最终确定 泵故障原因为叶轮直径过大以及叶片与蜗舌间隙过小，年利用系统大修机会调整 泵叶轮直径及叶片与蜗舌间隙后，成功解决了长期以来的技术难题，保障了合成氨装置的安全稳定运行。关键词抽汽冷凝式汽轮机；冷凝液泵；异常振动；原因分析；频谱分析仪；故障处理 中图分类号 文献标志码 文章编号 （）引言中海石油华鹤煤化有限公司（简称华鹤煤化）合成氨、尿素装置于 年底建成投产，汽轮机驱动的大机组主要有合成氨装置合成气压缩机、氨压缩机及尿素装置 压缩机，其中，合成气压缩机为日本三菱重工制造，合成气压缩机组汽轮机为抽汽冷凝式，进入汽轮机的高温高压蒸汽做功后被表冷器冷凝成约 的冷凝液，经冷凝液泵 输送至公用工程系统的混床处理后重新利用。实际生产中，冷凝液泵 启动后，当其出口阀开启到一定开度后，泵体出现振动迅速增大的现象，故冷凝液泵一直处于备用状态，检修人员曾反复进行过各种检查及处理，均未能消除故障；后经技术人员不懈努力，分析冷凝液泵 的频谱图，结合其故障现象及与冷凝液泵 进行对比，找到了其异常振动的原因，并彻底消除了故障，使冷凝液泵 能够正常投运。以下对有关情况作一介绍。设备概况华鹤煤化合成气压缩机组汽轮机系统配套冷凝液泵由大连苏尔寿泵及压缩机有限公司制造，共有 台，正常情况下一开一备，为常见的单级单吸悬臂式离心泵，型号为 ，扬程 、汽蚀余量 ，流量 ，转速 ，配套电机功率 。冷凝液泵输送介质为表冷器后的冷凝液，冷凝液泵壳体和泵盖均为碳素铸钢材质，叶轮和轴为马氏体不锈钢材质，驱动侧为 个背靠背安装的角接触球轴承，叶轮侧为圆柱滚子轴承，可轴向热膨胀；轴承箱驱动侧安装有 台冷却风扇对轴承箱进行冷却，轴承箱两侧油封采用铜质迷宫密封，轴端密封为普通型机械密封。故障现象冷凝液泵 （简称 泵）运行过程中机械振动、温度及噪音正常，工艺参数如流量、压力也符合要求，一直以来均无异常现象。冷凝液泵（简称 泵）则出现振动异常故障，工艺操作人员按程序启动 泵，不开启出口阀状态下，泵体的垂直和水平振动速度均不超过 ，但按操作规程继续缓慢打开出口阀后，泵体随即开始出现振动增大，出口阀开至一半时，泵体驱动侧水平振动速度已达 以上（以下振动数据表述均为驱动侧水平振值），泵输送的流量及压力均符合工艺要求，电机振动状况及运行参数均正常。据了解，几年来 泵已经过多次检修处理，均未能消除振动异常故障，其振动烈度为 机械设备振动分级标准第二类（中型第 期 年 月中氮肥 机器 ）级不合格状态 振动烈度分级：级（良好），振动速度 ；级（允许），振动速度 ；级（较差），振动速度 ；级（不合格），振动速度 ，由于不满足设备运行要求，泵一直作为紧急备用设备，正常生产情况下均是 泵运行，由此 泵只能在合成氨装置计划停车时才能同期安排计划检修，这种不正常状况已持续了几年，无疑给合成氨装置的安全运行带来严重威胁。原因分析泵体振动大是悬臂式离心泵最常见的故障之一，泵体振动大有各种各样的原因，常见的原因有轴系对中找正超差、电机座不平或电机支脚不平、叶轮不平衡、轴弯曲、轴承损坏等。华鹤煤化检修人员曾尝试过各种处理办法，包括检查轴弯曲度、检查泵进 出口管道及冷却器是否堵塞、基础重做及进 出口管道重新配管以消除管道应力等，均未能有效解决 泵振动大故障。在经过更换配件等各种处理未能有效解决故障后，技术人员使用新到的频谱分析仪采集 泵振动数据进行分析，并重新梳理故障现象。总结与梳理出 泵故障现象四个方面的重要信息：工况相同的 泵自运行以来未曾发生过振动异常故障；泵在未开启出口阀时振动正常，振动速度很小，只有 ；泵启动后出口阀开启 开度时即开始出现异常振动，出口阀开至一半时振动速度达 以上；频谱分析仪采集的频谱显示，大约 、（倍频）处振动有明显响应且占绝对主导地位，其他倍频很小。综合上述信息进行深入分析：工况相同的 泵从未发生过振动异常故障，表明工艺设计、操作程序及工艺参数等方面不是造成 泵振动大的原因，如入口压力、入口流量、介质温度，包括为排除液体阻力过大致汽蚀的可能性等曾拆卸过 泵入口过滤网，由此可排除工艺方面造成 泵振动大的可能；泵在未开启出口阀时振动是正常的，振动速度很小，只有 ，表明 泵不存在轴弯曲等机械方面的问题，包括叶轮不平衡、轴承损坏、零件松动及对中不良等，这是因为机械损坏及缺陷是永久性的，只要泵启动起来，振动故障就会表现出来，甚至是日益恶化的；泵开启出口阀 开度时即开始出现异常振动现象，出口阀开至一半时振动速度达 以上，对于这个现象的分析是重要的也是较难的，但也有蛛丝马迹可寻，开启出口阀意谓着打开流体通道，泵开始输送介质，介质流动过程中产生了振动大现象，而关闭或关小出口阀振动马上变小，为此也曾对 泵进 出口管道的堵塞情况、泵出口止逆阀与进出口阀是否损坏及卡涩进行过检查，均正常，故可排除这些缺陷因素干扰了液体的流动而致 泵振动大的可能；频谱分析仪采集的频谱显示，在大约 、处振动分量响应明显且占绝对主导地位，其他倍频很小，将 泵振动频谱图与机械故障四种典型频谱图 进行对比，振动频谱图中 很明显，与机械故障典型图谱的四种情况 不平衡频谱图（主导）、不对中频谱图（主导的同时明显伴随 和 ）、轴弯曲频谱图（主导的同时明显伴随 ）、零件松动频谱图（主导的同时明显有 、和 伴随）有明显不同，由此叶轮不平衡、对中不良、轴弯曲及零件松动引起振动大的可能可以排除。进一步分析与探讨，泵启动后开启出口阀出现振动异常增大现象，频谱分析仪采集到的故障响应频率约 ，泵工频为 ；冷凝液泵叶轮为 叶片结构形式，叶轮通过频率为叶片数 工频，即 泵叶轮通过频率为 ，而 为 泵振动的 ，处的振动速度达 ，约为总振动速度 的 。由此可以确定，泵异常振动与叶轮有关，降低叶轮通过频率即 的振值，即能消除 泵振动大故障。叶轮通过频率振动是流体机械流道内产生压力脉动所诱发的高频振动，其频率是整圈叶片数与转速频率的乘积，即每个叶片通过流道突变或不连续处就产生一次压力脉动，如果流道有多个突变或不连续处，则可能产生叶片通过频率的多倍频振动。对于普通离心泵来说，蜗壳上的蜗舌就是一个流道的突变，叶轮上的叶片每经过蜗舌就产生一次振动，泵叶轮上有 个叶片，每转一圈就会产生 次振动即 ，振动与叶轮上的叶片与蜗舌间隙大小有关。通（下转第 页）第 期罗伟雄等：冷凝液泵开启出口阀振动高故障分析与处理量高达 ，易造成原料气换热器结冰堵塞，影响煤制天然气装置的安全稳定运行。于是，将氨预洗塔液位下的导流罩横向增加 根 分布器且均匀分布，并在每根分布器上设置 个直径为 的筛孔。优化改造后，氨预洗塔再未发生过液泛或变换气带液现象，原料气换热器底部甲醇中水含量降至了 。结束语该煤制天然气装置自原始开车以来，其低温甲醇洗系统陆续出现了 倾析罐操作温度偏高、甲醇 水 分离塔再沸器堵塞、循环气压缩机填料泄漏、氨预洗塔液泛等问题，对装置的运行造成了一定的影响，为此，查找和分析问题的症结所在后，通过不断地摸索与探讨并实施相应的优化改造，低温甲醇洗系统出现的各类问题均得到了很好地解决，生产运行中系统抗干扰能力和操作弹性得到增强，各项工艺指标均在可控范围内，有力地保障了煤制天然气装置的长周期、安全、稳定运行櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅。（上接第 页）过这些分析，技术人员认为 泵可能存在叶轮直径过大而致叶片与蜗舌间隙过小，一旦 泵开启并打开出口阀，液体流动过程中就出现 振值增大的异常现象。于是，提议在合成氨装置停车大修时同时解体检查 泵与 泵，比较 台冷凝液泵叶轮直径的大小。故障处理据以上分析结论，年 月华鹤煤化合成氨装置计划停车大修期间，台冷凝液泵同时进行解体检查，发现 泵与 泵的叶轮直径确实存在不同 泵叶轮直径 ，泵叶轮直径 （比 泵大 ），台泵蜗壳基圆约 ；泵叶片与蜗舌间隙 ，泵 叶 片 与 蜗 舌 间 隙 为 ，两 者 相 差 。这就是 泵运行时振动正常、而 泵运行只要开启出口阀振动就异常增大的原因了。泵重新安装加工直径为 的叶轮后，启动 泵并打开出口阀，经测量，其振动速度降至约 （原最大值超过 ），但仍未达到 机械设备振动分级标准第二类（中型机器 ）中的 级允许范围内（振动速度 ）。为将 泵振值降至良好范围，特别是当前已找到了故障处理方向，决定继续进行处理，以彻底消除故障。泵当前出口压力 ，刚好满足工艺要求，不能通过进一步减小叶轮直径的方法来增大叶片与蜗舌间的间隙了，当前 泵叶片与蜗舌间隙为 ，经查 石油、石化及天然气工业用离心泵（）（第 版）中的规定 ，对于蜗壳式泵，叶片与蜗舌间隙至少为叶轮半径的 ，即最小值应为 ，而经测量蜗舌厚度为 ，于是，决定采用砂轮机打磨的方式适当减小 泵蜗舌厚度约 ，将 泵叶片与蜗舌间的间隙调整为 左右；同时，对照检修 泵时的照片，发现 泵蜗舌有缺损及边沿减薄的情况，但并未影响 泵的正常运行，表明叶片与蜗舌间隙适度增大有利于冷凝液泵的良好运行，这也是 泵振动较小的原因。泵蜗舌经适度打磨检修后，经试车及长时间运行检验，其振值有了较大降幅，即使全开出口阀其振动速度也只有 左右，满足设备管理要求，泵可投入正常运行。结束语华鹤煤化合成气压缩机组汽轮机系统配套冷凝液外送泵（泵）打开出口阀即发生异常振动故障，检修人员采取各种检修处理措施均未能解决该问题，泵只能用作紧急备用设备，危及系统安全运行。后经技术人员的不懈努力，采用频谱分析仪采集 泵的振动频谱图，通过对其振动频谱图的分析与研究，有了新的认识和解决问题的方向，并通过与 泵进行对比，最终确定 泵故障原因为叶轮直径过大以及叶片与蜗舌间隙过小。利用系统大修机会调整 泵叶轮直径及叶片与蜗舌间隙后，成功解决了长期以来的技术难题，保障了合成氨装置的安全稳定运行。参考文献 杨志伊，郑文设备状态监测与故障诊断 北京：中国计划出版社，美 国 石 油 学 会石 油、石 化 及 天 然 气 工 业 用 离 心 泵（）：第 版 第 期师元华：煤制天然气装置低温甲醇洗系统运行问题及优化改造