多級離心泵作為重要的能量轉(zhuǎn)化裝置和流體輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、石化、供水、船艦、水利、航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域和現(xiàn)代化大型工業(yè)流程中[1–3] ，可以為人類帶來福祉，但也可能由于設(shè)備故障導(dǎo)致其部件損傷、生產(chǎn)中斷，甚至機(jī)毀人亡、爆炸污染等災(zāi)難，因此，其安全可靠運(yùn)行問題至關(guān)重要。

　　多級離心泵機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響振動因素較多，如裝配誤差、材料不均、加工誤差、水力脈沖、安裝邊界條件等，使之要順利完成故障診斷任務(wù)并取得實(shí)效并非易事，因此有必要開展泵組的故障診斷分析工作。本文針對某石化公司多級離心泵機(jī)組的振動較大，不能運(yùn)行等問題進(jìn)行了振動故障診斷分析，并采取相應(yīng)技術(shù)措施，較好地解決了振動超標(biāo)問題，提***了泵組系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。其分析方法及解決措施對類似振動故障問題具有一定參考價值和指導(dǎo)意義。

　　離心泵機(jī)組基本情況

　　該泵為節(jié)段式多級臥式離心泵，額定工作壓力為15 MPa，流量為420 m³/h，轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，中心***為800 mm，葉輪的葉片數(shù)為7，導(dǎo)葉的葉片數(shù)為6，兩端均采用滑動軸承徑向支撐，非驅(qū)動端采用圓錐滾子軸承承受軸向推力并定位。該離心泵在某石化公司已服務(wù)工作5年，由于振動幅值上升，超出******泵振動烈度評價標(biāo)準(zhǔn)GB/T29531-2013第四類泵C級標(biāo)準(zhǔn)7.1 mm/s，需進(jìn)行降振處理，因此，返廠維修。解體后發(fā)現(xiàn)部分葉輪及導(dǎo)葉的流道腐蝕、結(jié)垢比較嚴(yán)重，甚至部分流道出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，進(jìn)行除銹除垢后，更換變形嚴(yán)重且影響水力性能的兩葉輪，嚴(yán)格按要求修復(fù)裝配完畢后，與公司試驗(yàn)電機(jī)連接，進(jìn)行常溫清水全速模擬試驗(yàn)和振動故障精密檢測分析。

　　振動測點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集

　　使用北京京航公司研發(fā)的HG8908C數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行振動數(shù)據(jù)采集，設(shè)置分析頻率為500 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為2 048，采集數(shù)據(jù)形式為振動速度有效值，傳感器分別布置于泵驅(qū)動端、非驅(qū)動端及電機(jī)驅(qū)動端軸承箱體處，具體布置情況如圖1所示。

　　 離心泵機(jī)組振動故障信號分析

　　1 振動信號幅域RMS值分析

　　在實(shí)際工程應(yīng)用中的機(jī)械振動信號，常由周期信號和隨機(jī)信號混雜而成，因此，在進(jìn)行機(jī)械振動檢測和故障診斷分析時，合理選擇隨機(jī)信號參數(shù)是不可或缺的部分。有效值即均方根值(RMS)直接反映振動信號的能量大小、穩(wěn)定性及重復(fù)性，是鑒別設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是否正常的重要指標(biāo)。該離心泵機(jī)組各測點(diǎn)在額定工況下振動速度RMS值如圖2所示。

　　由圖2發(fā)現(xiàn)該泵組在額定工況運(yùn)行條件下，各測點(diǎn)振動速度RMS值都比較大，尤其是測點(diǎn)1和測點(diǎn)2兩位置處的振動幅值嚴(yán)重超標(biāo)，其振動速度有效值分別***達(dá)為19.934 mm/s和14.162 mm/s，說明該離心泵機(jī)組振動品質(zhì)極差，不適合正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，具體的故障診斷分析見下述時域、頻域分析。

　　2 振動信號時域分析

　　時域波形是***簡捷、***直觀、***易于理解的振動信號表現(xiàn)形式，是***原始的振動信息源，包含了豐富的信息。對于某些故障信號，時域波形具有明顯的特征，可直接觀察其周期信號、諧波信號、短脈沖等信號，就能對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作出初步判斷。諸如旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子嚴(yán)重不平衡時，時域波形中有明顯的以旋轉(zhuǎn)頻率為特征的周期成分;若波形中出現(xiàn)“削頂現(xiàn)象”，表示設(shè)備可能存在碰摩故障等。但對于某些復(fù)雜關(guān)聯(lián)故障型式，波形紊亂，周期性差，難以與故障特征信號建立對應(yīng)關(guān)系，需將時域信號轉(zhuǎn)化至頻域信號，對設(shè)備的故障進(jìn)行準(zhǔn)確定性分析。

　　3.振動信號頻域分析

　　頻域分析是基于頻譜分析方法，把復(fù)雜的時域信號經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)分解為若干單一的諧波分量疊加，同時體現(xiàn)出各頻率分量的幅值、相位、功率及能量與頻率的關(guān)系，能對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)作出評價并準(zhǔn)確而有效地診斷設(shè)備故障和對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，是機(jī)械設(shè)備振動故障監(jiān)測與診斷中***常用和***適用的分析方法 。

　　圖3-圖6給出了該離心泵組振動故障信號特征較明顯測點(diǎn)的細(xì)化時域波形、頻譜圖。其中1X表示工作頻率，理論值為50 Hz，2X表示工頻的2倍頻率，3X表示工頻的3倍頻率，以此類推。

　　由圖3、圖4可知測點(diǎn)1時域波形在基頻正弦波上附加了7倍頻諧波，測點(diǎn)2時域波形近似為正弦波，并且都存在明顯的“削頂現(xiàn)象”，頻率主要集中于7X、1X、3X及明顯的非線性低階、***階特征頻率，其中7X頻率所占比重***大，兩測點(diǎn)間的1X相位差為118.03°。

　　由圖5、圖6可知測點(diǎn)5時域波形周期性不強(qiáng)、波峰值不明顯，頻率主要集中于7X、3X、2X及明顯非線性特征頻率;測點(diǎn)6時域波形近似正弦波，頻率主要集中于1X、1.5X、3X及明顯的非線性特征頻率，兩測點(diǎn)間1X相位差為151.508°。
 

　
      故障診斷分析結(jié)果及處理

　　1 振動故障診斷分析結(jié)果

　　1)測點(diǎn)1和測點(diǎn)2時域波形中存在明顯“削頂現(xiàn)象”，頻譜圖中包含有***階及非線性特征頻率;測點(diǎn)5時域波形周期性不強(qiáng)，波峰值不明顯，且泵驅(qū)動端與非驅(qū)動端水平和豎直方向測點(diǎn)間的相位差不穩(wěn)定，說明泵轉(zhuǎn)子葉輪與導(dǎo)葉口環(huán)間可能存在碰摩故障。

　　2)由于該離心泵葉輪設(shè)計(jì)有7個葉片，其葉片通過頻率為7X，與測試結(jié)果相吻合。因此，將主要振動故障定位于流體誘導(dǎo)振動。

　　離心泵的流體誘導(dǎo)振動主要是由非定常流動下產(chǎn)生的壓力脈動引起，如動靜干涉、二次流、氣蝕、堵塞、甚至轉(zhuǎn)子葉片與導(dǎo)葉葉片間的徑向間隙在圓周方向不均勻等容易產(chǎn)生流體動力激振等 。通過排除法，***后將該泵組可能會引起流體誘導(dǎo)主要振動因素定位于動靜干涉和葉輪與導(dǎo)葉間的周向間隙不均勻。

　　2 振動故障一次處理

　　整個泵組解體后發(fā)現(xiàn)其中部分葉輪與導(dǎo)葉口環(huán)間存在明顯的摩擦現(xiàn)象，對其進(jìn)行相關(guān)處理后，重新裝配并嚴(yán)格控制葉輪與導(dǎo)葉間的周向間隙以及轉(zhuǎn)子中心，并對試驗(yàn)基礎(chǔ)進(jìn)行了改進(jìn)，更換為較大的二次底座，進(jìn)行加固處理后，開車試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各測點(diǎn)振動幅值明顯有所減小(見表1)，但仍然沒達(dá)到******標(biāo)準(zhǔn)和出廠要求，通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，葉片通過頻率7X所占比重較大，說明該機(jī)組仍然存在流體誘導(dǎo)振動。

　　3 振動故障二次處理

　　再次解體后，調(diào)節(jié)如圖7所示泵葉輪出口與導(dǎo)葉進(jìn)口間的動靜間隙δ。在保證其水力性能優(yōu)良的情況下，將導(dǎo)葉基圓直徑加工增大2 mm，同時對前期為保證水力性能指標(biāo)切割了葉輪葉片但未切割葉輪蓋板的葉輪，對其蓋板直徑加工減小2 mm，即整體增大了葉輪出口與導(dǎo)葉進(jìn)口間的動靜間隙，減小水力干涉，進(jìn)一步減小流體動力激振。重新裝配試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)泵組各測點(diǎn)振動速度幅值再次明顯減小，略小于******泵行業(yè)振動烈度評價標(biāo)準(zhǔn)7.1 mm/s (見表1)。并再次通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)其葉片通過頻率仍然占優(yōu)，可能是由于該離心泵長期服務(wù)，流道沖刷腐蝕，導(dǎo)致介質(zhì)流動不均勻，進(jìn)而激起流體誘導(dǎo)振動，也有可能是由于初期水力設(shè)計(jì)不良引起。綜合評價，該離心泵經(jīng)過降振處理后振動品質(zhì)良好，可繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

　　結(jié) 語

　　本文基于頻譜分析方法對某石化公司離心泵機(jī)組進(jìn)行振動故障分析，通過多次測試、診斷以及故障處理，解決了其振動較大問題，其中得到了：

　　(1)時域波形中出現(xiàn)明顯的“削頂現(xiàn)象”，不穩(wěn)定非周期信號，頻域中含有***階倍頻及非線性頻率時，泵轉(zhuǎn)子葉輪與導(dǎo)葉口環(huán)間發(fā)生碰摩故障的可能性較大;

　　(2)離心泵轉(zhuǎn)子葉輪與導(dǎo)葉間的周向間隙不均勻時會激起葉輪葉片通過頻率，引起流體誘導(dǎo)振動。

　　(3)在保證離心泵水力性能優(yōu)良的情況下，適當(dāng)增大葉輪出口與導(dǎo)葉進(jìn)口間隙，可以有效減小流體誘導(dǎo)振動。