低压输送泵异声故障分析_高维刚.pdf

设备管理与维修2023 2（上）0引言某液化天然气有限公司 LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然气）接收站，一期装置有 3 个 16 万立方米 LNG 储罐，共有低压输送泵 7 台，泵为离心式潜液泵1-2，由美国 JC Carter公司生产。通过钢丝绳、悬臂吊将泵垂直放置于泵井储罐底部，泵井即为泵的排出管线。动力电缆和仪表线通过线夹固定在钢丝绳上。泵体采用多节垂直剖分结构，通过精加工的止口来保证同轴度。电机转子和泵轴均为空心结构，泵轴贯穿于电机转子，并通过花键传递扭矩，泵轴、平衡鼓、滚动轴承通过锁紧螺母与电机转子锁紧在一起。泵轴为空心光轴叶轮采用无键连接，通过带锥度的涨紧套固定于泵轴上。电机转子两端安装 2 个 JC Carter 公司专用滚动轴承 NSK6314 实现定位。泵轴通过多个轴衬套进行径向定位，泵的轴向力通过平衡鼓、空心泵轴（平衡管）来实现平衡3-4。泵体电机侧 90方向安装 2 个加速度探头。低压输送泵结构见图 1，主要性能参数见表 1。1低压输送泵故障现象2017 年 10 月 8 日，低压输送泵位号 P-0201E 出现振动大故障，其间该泵累计运行 11 573.39 h。解体大修更换磨损的轴承和轴承衬套，轴承衬套在无原厂备件（材料 ASTM B584 C93200）的情况下，采用 UNS S21800 材料替代，2017 年 10 月19 日检修完成进行试车，运转期间运行参数正常并投入使用。2018 年 4 月20 日，该泵运行中噪声逐渐增大，为明显连续高频噪声，期间压力、流量等工艺参数和电机各项指标检测均未发生异常，频谱分析振动有上涨趋势，距上一次检修该泵累计运行 3000 h，初步判断为轴承故障，决定进行解体检修。2泵拆解检测情况（1）叶轮、叶轮口环完好，未见异常磨损，口环间隙符合技术要求5-6。（2）诱导轮轴衬套磨损，间隙超差，其他轴衬套轻微磨损。（3）平衡鼓衬套未见异常磨损，泵轴跳动检测数值均在技术要求范围内。（4）顶部滚动轴承内圈完好转动顺畅，外圈严重磨损，并出现明显沟槽（图 2）。（5）泵顶部轴承衬套磨损严重，间隙超标，并有明显沟槽（图3）。（6）中部轴承衬套未见异常磨损，配合间隙符合技术要求7-8。（7）中部轴承内、外圈完好，转动检查发现游隙明显增大并有卡涩现象，轴承外圈端面有明显压痕（图 4）。3问题及原因分析根据泵的拆解和上一次检修情况分析，泵的累积运行时间均未达到轴承的使用寿命 25 000 h，而出现轴承过早磨损故障，从泵的设计原理和2个轴承磨损的不同部位进行分析。3.1低压输送泵结构原理分析查泵的性能参数，泵的额定流量 430 m3/h，最小流量图 3顶部轴承衬套磨损低压输送泵异声故障分析高维刚，杜鹏，俞中围，凌青飞（中海浙江宁波液化天然气有限公司，浙江宁波315800）摘要：针对低压输送泵运行中出现异常噪声，结合设备结构和轴向力平衡原理，分析泵轴承衬套间隙对轴向力平衡的影响，找出轴承过早磨损是产生噪声原因。变更衬套材料及热处理工艺控制，避免轴承衬套出现粘着磨损、配合间隙破坏故障。关键词：低压输送泵；衬套；粘着磨损；平衡；间隙中图分类号：TE973.9文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.19表 1低压输送泵主要性能参数项目参数项目参数项目参数功率250 kW扬程256 m最小流量142 m3/h转速2955 r/min编号160额定流量430 m3/h功率250 kW级数2比重0.455介质LNG温度-159.7 振动（报警）7.5 mm/s总重1300 kg旋转方向自电机方向逆时针振动（跳车）12 mm/s图 2顶部轴承外圈磨损图 1低压输送泵结构组成52设备管理与维修2023 2（上）142 m3/h，按额定流量参数设计平衡鼓，泵在额定流量工况时，转子承受最大的向下推力9，此时平衡鼓上下形成压力差，转子向上推力大于叶轮受流体向下的推力，转子向上浮动，由于泵轴采用空心结构，顶部与底部泵入口腔体相通，转子上浮轴与顶部挡板间隙逐渐减小，平衡鼓上部至泵入口流通面积减小，回流到泵入口的流体减少，平衡鼓上下压差逐渐变小，平衡力小于叶轮向下推力，泵转子整体向下浮动，泵轴与挡板间隙逐渐增大，平衡鼓上下压差变大，通过空心轴回流到泵入口的流体增加，平衡力大于叶轮向下推力转子向上浮动，再次重复前面的动作达到转子平衡的目的。因此泵的轴向力平衡是通过平衡鼓、空心轴（平衡管）、平衡鼓间隙10与挡板间隙来实现，这取决于底部轴承压板间隙和顶部轴挡板间隙值，故顶部轴承外圈与轴承衬套配合采用的是间隙配合，也就是说泵在运行和变工况情况下，泵转子都存在一定的轴向窜动量11-12，泵的性能曲线见图 5。3.2中部轴承磨损游隙增大分析中部轴承衬套无磨损与轴承配合间隙符合技术要求，轴承内、外圈无磨损、轴承游隙明显增大，通过两个方向上轻转轴承，电机侧方向转动顺畅，泵入口一侧转动明显有卡涩现象，说明泵入口一侧方向上轴承轨道磨损严重，结合中部轴承外圈（泵入口侧）端面明显压痕，可以看出中部轴承在泵入口方向上承受较大的轴向力，由于 6314 轴承为深沟球轴承，深沟球轴承虽然能承受一定的轴向力，但过大轴向力导致轴承液膜破坏、快速磨损、游隙增大和产生高频噪声，这与频谱分析结果（轴承故障）相符。3.3顶部轴承、轴承衬套磨损分析顶部轴承游隙正常、转动灵活，轴承外圈、轴承衬套磨损严重并出现明显沟槽，从磨损情况看，轴承外圈和衬套之间产生了金属粘着现象，在相对滑动中粘着处被破坏，有金属从衬套表面被拉拽下来，粘着在轴承外圈表面，也就是说轴承和衬套之间出现了粘着磨损，又称咬合磨损13，破坏了轴承与衬套表面粗糙度和配合间隙。通过以上分析，产生噪声的主要原因为低压输送泵轴承磨损，轴承的过早磨损是由于轴承承受较大的轴向力所致，轴向力增大的主要原因是顶部轴承与衬套间出现了粘着磨损，造成轴承与衬套配合间隙变化，运行中转子上浮受阻，泵轴向力平衡被破坏，中部轴承受过大的轴向载荷导致过早磨损、游隙增大，运行中产生较大的高频噪声。3.4产生粘着磨损条件14（1）磨擦副材料性质的影响。脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高，相同金属或冶金相溶性大的材料易发生摩擦副粘着磨损。（2）材料的组织结构和表面处理。材料硬度高的金属比硬度低的抗粘着能力强。（3）载荷的影响。粘着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加。（4）速度的影响。粘着磨损随滑动速度的增加而增加。（5）表面温度的影响。表面温度升高润滑膜失效15，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。3.5粘着磨损原因分析由于泵的设计结构无法改变，低压输送泵为 LNG 潜液泵在-162 温度下运行，材料表面温度升高至硬度下降的情况不易发生，原厂轴承衬套选用 ASTM B584 C93200 锡青铜材料16满足脆性材料、材料硬度高条件，避免了产生粘着磨损条件，不易发生粘着磨损。而替代的轴承衬套材料 UNS S21800 需进行热处理来满足脆性、硬度条件，虽然 UNS S21800 材料应用在其他低温泵有较好的业绩，但泵的结构和工作条件存在差异（平衡鼓在轴承附近），启动泵瞬间轴承与轴承衬套冲击载荷急剧增加，再加上运行中泵的工况变化和频繁启停，因此 JC CARTER 低压输送泵轴承衬套选用 UNS S21800 替代，虽然增强了轴承衬套综合机械性能，但衬套热处理控制不当易产生粘着磨损，影响泵的使用寿命。4解决措施（1）严格控制材料各项指标，避免低温下产生脆断、变形等缺陷，所有泵用材料进行低温处理。（2）衬套材料选用 ASTM B584 C93200 或相近材料替代，Cu 含量要接近并严格控制 S、P 含量和材料质量。（3）泵组装前各部配合件要进行低温测试，确保泵在低温下各配合间隙符合技术要求17。（4）对于泵体采用止口定位时要认真清理毛刺，同时进行同轴度检测，确保止口定位准确。（5）安装过程中严格控制各轴套、衬套配合间隙和安装过盈量。（6）轴承安装检测轴承游隙18满足低温下使用要求。表 2 为潜液泵常温安装数据。5结语JC CARTER 低温潜液泵轴承在衬套选材上，既要考虑泵体结构、低温适用性和膨胀系数、耐磨性、经济性等19-20，同时还要图 4中部轴承图 5泵的性能曲线53设备管理与维修2023 2（上）避免产生粘着磨损，在摩擦副的选材上要综合考虑，轴承衬套材料的变更，能否提高耐磨性和使用寿命有待进一步观察。参考文献1谭宏博，厉彦忠，梁骞，等.液化天然气潜液泵关键技术及研发方案 J.现代化工，2007（12）：52-54.2梁骞，厉彦忠，谭宏博，等.潜液式LNG泵的结构特点及其应用优势 J.天然气工业，2008（2）：123-125.3张宇鹏.低温潜液泵结构与应用研究 J.水泵技术，2018（2）：1-5.4郑继平，易奇昌，胡彬彬，等.一种潜液泵结构支撑方式的优化 J.船海工程，2018，47（4）：77-79.5赵伟国，邬国秀，黎义斌，等.口环间隙变化对离心泵性能的影响研究 J.水力发电学报，2014，33（5）：211-215.6汪国庆.多级高压离心泵轴向力平衡装置研究与应用 J.通用机械，2006（10）：60-63.7李文广，费振桃，蔡永雄.离心油泵叶轮口环间隙对性能的影响 J.水泵技术，2004（5）：7-13.8施卫东，张磊，陈斌，等.离心泵间隙对压力脉动及径向力的影响 J.排灌机械，2012，30（3）：260-264.9马旭丹，吴大转，王乐勤.多级离心泵轴向力平衡装置的设计与分析 J.农业工程学报，2010，26（8）：108-112.10张保祥.多级给水泵轴向力平衡机构的设计与分析 D.北京：华北电力大学，2012.11余春浩，郝鹏飞.LNG 低温潜液泵的国产化现状 J.通用机械，2018（11）：16-18.12刘明辉，刘易，张金玲，等.LNG 低温潜液泵设计优化研究 J.中国化工装备，2018，20（3）：15-20.13 亦文.流体润滑理论及其应用 J.广东工学院学报，1991（3）：16.14李茂生.工业摩擦学与润滑材料的发展 J.润滑与密封，2010，35（6）：126-131.15 王锦波.金属材料和热处理工艺的相关性 J.世界有色金属，2020（12）：134-135.16刘宜，宋怀德，陈建新.双蜗壳离心泵内部流场数值计算分析 J.流体机械，2009，37（9）：15-18.17杜方鑫，黄书才.基于低温潜液泵动态特性的结构优化设计研究 J.现代制造工程，2019（12）：129-134.18常殿琴.离心泵平衡系统技术分析 J.煤炭技术，2007（12）：29-30.19郭兵，兰永果.多级离心泵轴向力平衡装置改造 J.水泵技术，2010（6）：42-44.20娄旭.金属材料热处理工艺及技术发展形势 J.2021（19）：20-21.编辑李波表 2潜液泵常温安装数据mm图号部位配合间隙更换值241934-80137-1轴跳动0.000 5-0.001 5（0.012 70.038 1）0.003（0.0762）242223-28631-151平衡鼓0.013-0.016（0.330.41）0.032（0.8）80137-1-46884轴承外圈0.009 3-0.011（0.240.28）0.022（0.56）242224-230410壳体衬套0.009-0.011（0.240.28）0.022（0.56）80137-1-241962轴承外圈0.009-0.011（0.240.28）0.022（0.56）242064-46885叶轮口环0.012-0.015（0.310.38）0.030（0.76）0引言泵机组是重要的能量转换及介质输送设备，是国民经济中应用最广泛、最普遍的通用机械之一，在企业的正常生产运行中发挥着举足轻重的作用。而泵机组一旦发生故障，对企业而言不仅仅是经济上的损失，严重时甚至会造成难以承受的灾难性后果。随着自动化程度的提高，温度、振动、压力等运行参数监测仪表以及与 PLC、上位机 HMI 软