高速泵的故障诊断及处理

黄佳伟

(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料部，上海 200540)

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)聚烯烃联合装置使用高速泵P506和P223分别将丙烷输送到反应和关键冲洗区域，这两台泵是装置的关键设备,运行过程中多次发生故障，给装置长周期安稳运行带来了很大的影响。针对这一现状，对高速泵故障原因进行了深入分析，并提出了相应的处理措施。

1 高速泵概况

高速泵是一种特殊离心泵，它结构紧凑，维修方便，同时具有高扬程、低流量、效率较高等工艺特点，在石油化工行业得到了广泛的应用。这种泵常见为立式泵，其结构最大特点是带一个增速箱，叶轮转速可达2 5000～30 000 r/min。此泵采用高强度钢硬齿面齿轮，箱体、齿轮传动件、叶轮、诱导轮、滑动轴承等加工精度较高，转动部件全部做过动平衡，结构设计紧凑合理、运行稳定性好。高速泵的主要传动部件有联轴节、输入轴、中间轴和输出轴。

(1)联轴节:常用的有托马斯联轴节、薄膜联轴节；

(2)输入轴:单齿轮轴,有直齿、斜齿两种形式，轴两端各安装一个深沟球轴承；

(3)中间轴:轴上有主、从动齿轮各一个,从动齿轮有直齿和斜齿两种,上、下端轴承根据转速不同有滑动轴承和深沟球轴承两种；

(4)输出轴:在轴上装有直齿齿轮，闭式或半开式叶轮，诱导轮(视泵的汽蚀情况安装或不安装)各一个，轴上下端各安装一套径向轴向组合式滑动轴承,轴上还装有齿轮箱侧和泵侧机械密封三套(串联或双端面)[1]。

2 高速泵振动原因分析

高速泵运行过程中会出现振动大的状况，出现这种情况的原因可能为：一是工艺因素，若泵体内介质部分汽化，需重新停泵排气；或泵的流量控制不当，此时通过调节泵的回流阀开度可得到有效解决。二是机械故障，按照高速泵的结构,在运行中泵本身可能产生振动的原因有以下几种：

(1)电机轴和齿轮箱输入轴不对中。轴不对中主要源于泵安装或检修时找正不良,运行过程中也会产生轴不对中。轴的平行不对中主要产生二倍频径向振动,伴有多倍频振动；角度不对中主要产生工频轴向振动伴有多倍频振动。在生产实际中,泵的轴不对中往往是两种不对中的综合。

(2)滚动轴承故障。导致滚动轴承故障主要有疲劳剥落、永久变形、磨损、腐蚀、断裂、保持架损坏等原因。高速泵所用的轴承质量较好,轴承箱润滑油系统也较好,在运行中滚动轴承一般只发生疲劳剥落和腐蚀两种故障。滚动轴承疲劳剥落引起较大的轴振动,对泵的运行危害较大；轴承腐蚀,会产生较大的噪声,伴随一定的振动,加速滚道和滚子的疲劳。

(3)转动件动平衡不佳。高速泵使用的转动件(包括叶轮、诱导轮、高速轴、联轴节)都做过G2.5动平衡，运行过程中一般只有叶轮和诱导轮会受到输送介质的冲刷和汽蚀作用,以及介质中异物的附着而产生不平衡。叶轮和诱导轮不平衡主要引起一倍工频径向振动,随着振动增加，输出轴轴颈和径向轴承发生摩擦,引起输出轴和径向轴承烧坏，使振动进一步的增加。

(4)滑动轴承故障。滑动轴承的故障有巴氏合金松脱、巴氏合金磨损、疲劳腐蚀、轴承壳体松动、轴承间隙不当等。高速泵所用滑动轴承结构合理布置恰当，油系统运行稳定正常情况,在大修周期1～2年内不会发生因滑动轴承故障而产生的振动，但在以下几种情况下可产生故障：①轴承间隙过小会引起轴承巴氏合金过热熔化,甚至抱轴；②滑动轴承的内表面进入异物会引起磨损；③径向轴承巴氏合金的磨损、熔化会使滑动轴承的间隙增大,运行时轴颈在轴承中偏心摆动,产生n倍工频振动(n=1,2,3,…)；④输出轴上下止推轴承构成一对反向止推轴承，齿轮箱组装完毕后,输出轴的轴向窜动量扣除热膨胀差后就是轴向轴承的运行间隙，齿轮箱装配时输出轴窜量过小会引起止推片粘着磨损，巴氏合金熔化或脱落，使振动加大。

(5)轴弯曲。轴的微量弯曲不会产生异常振动，由于齿轮轴有较高的强度以及泵的结构合理，输入轴和中间轴在运行过程中一般不会产生弯曲，但输出轴会在运行中由于叶轮或诱导轮受到过度的冲击而产生弯曲，破坏动平衡。

(6)齿轮故障。齿轮失效有以下形式齿面磨损，齿面胶合和擦伤，齿面接触疲劳，弯曲疲劳与断齿以及齿面腐蚀，高速泵所有齿轮都是高强钢硬齿面齿轮,几年来从未发生过齿面的磨损、擦伤和接触疲劳故障，未发生过齿根疲劳与断齿故障[2]。

3 高速泵的故障诊断

3.1 P223A故障现象、检修过程及分析

高压丙烷进料泵P223叶轮最大转速为23 782 r/min，扬程为1 244 m，流量为7.69 m3/h。P223A自2012年9月检修以来，共连续运行了约一个月，2013年4月22日夜班发现P223A异声，主要集中在齿轮箱上部。测试齿轮箱的振动情况，发现齿轮箱振动最大处G1V为9.4 mm/s，超过振动标准，虽可维持使用，但考虑到生产稳定，23日转为由P223B运行，A台作紧急备用。28日P223A更换齿轮箱及机封，经工艺处理后备用。检修期间曾出现新更换P223A机封封液泄漏，怀疑为新更换的机封动、静环脱开，密封面贴合不严，导致密封液泄漏。

拆解故障齿轮箱发现：(1)油系统整体较脏，齿轮箱轴承油流道有杂物；(2)中速轴齿轮、轴承有锈蚀现象(见图1～2)；(3)经手动盘车发现低速轴上、下轴承尤其是下轴承径向间隙都较大，怀疑轴承滚珠已出现点蚀或磨损现象。

图1 中速轴轴承

图2 中速轴齿轮

原因分析：(1)在密封腔或者密封弹簧一面，出现了固体颗粒，可能是在安装过程中混入少量杂质引起的；(2)齿轮箱上部出现异声，应是低速轴上、下轴承径向间隙过大，轴承滚珠已出现点蚀或磨损现象造成；(3)齿轮箱油系统整体较脏，齿轮箱轴承油流道有杂物，中速轴齿轮、轴承有锈蚀现象，此类现象应是在泵平时加油过程中有少量水进入造成。

3.2 P506故障现象、检修过程及分析

循环丙烷泵P506叶轮最大转速为23 862 r/min，扬程为1 250 m，流量为27.6 m3/h。2013年4月25日发现P506B有异声，测试齿轮箱的振动情况，发现齿轮箱振动最大测点G1V(东西方向)振值为10.7 mm/s，G1H(南北方向)振值为10.5 mm/s，在谱图上有398.44 Hz的边带频率出现，3377.8 Hz频率有所上升，怀疑该频率为齿轮啮合频率。27日21∶00 发现P506B油压低，装置决定于21∶30 由B泵切换到A泵运行，切换成功，但发现P302冲洗流量小，P302 piston压力高，判断为P302主密封粉料倒窜造成冲洗堵，清通后投用正常。

拆解P506B故障齿轮箱发现：(1)油系统较脏；(2)高速轴齿轮锈蚀；(3)低速轴齿轮部分断齿，低速轴上轴承严重损坏；(4)中速轴齿轮部分断齿(详见图3～6)。

图3 高速轴齿轮锈蚀

图4 低速轴齿轮损坏

图5 低速轴上轴承损坏

图6 中速轴齿轮损坏

原因分析：(1)从齿轮箱损坏来看，首先低速轴上轴承损坏，低速轴窜动量变大，导致低速轴齿轮与中速轴齿轮啮合不佳甚至齿轮断齿，齿轮箱振动变大。同时，由于低速轴窜动量不断变大，也造成联轴器对中度不好、径向轴向受力过大而损坏[3]。(2)因受泵切换时冲击载荷较大，自2010年12月21日至2013年4月22日，该泵共切换12次，切换过于频繁。(3)齿轮箱油系统较脏，高速轴齿轮锈蚀，可能与平时加油时有少量水进入有关。

4 处理措施

4.1 齿轮箱的检修处理

注意查看高速泵中滚动轴承的精度、型号等参数，要求精度至少为P4。减少高速轴组件和滑动轴承的磨损问题，在止推面以及轴径位置不能出现熔接物、过热痕迹等，如果高速轴的磨痕深度高于25 μm，则需更换高速轴。每次打开齿轮箱检修，都要检查高速轴的轴向间隙，特别是更换中间垫片、O型环和推力瓦片时要注意测量高速轴和中间轴的轴向间隙。每次更换滑动轴承后，一定要检查高速轴的轴向间隙和径向间隙。安装叶轮时，叶轮的背面端间隙为1.5～2.0 mm。

4.2 机械密封的安装及维护

安装机械密封时一定要检查备件的质量，静环上、下往复动作应没有卡涩现象，补偿量是否符合要求。安装时检查其压缩量，静环的压缩量在1.8～2.0 mm。机械密封的泄漏情况也需时常检查，按照机械密封冲洗方案PLAN52，正常情况下密封罐不带压力，一旦密封罐压力表显示带压，表明介质端机封已经出现较大泄漏。根据泄漏出的油的颜色，可准确判断是密封油还是润滑油，从而确定机封的运行状况。此外，还需检查密封罐内密封油的热虹吸是否建立，介质端机封的反向冲洗是否正常，保证足够的冲洗量能及时带走机封产生的热量，改善机封工况从而延长机封寿命。

4.3 润滑油的日常维护

高速泵运行中要经常巡检并记录润滑油温度、压力及油位，润滑油温度不可超过90 ℃，油压不易低于0.14 MPa。在高速泵加换油时，一定要严格遵守操作规程，防止水进入油路系统，并定期对高速泵密封罐及齿轮箱进行换油清洗。

4.4 加强状态监测及分析

做好对高速泵的状态监测数据的收集，通过对测振频谱图的分析，能及时掌握齿轮箱内轴承及轴的运行情况，提早发现故障，从而能做到预知性检修。对于齿轮箱内的齿轮及滚动轴承，振动能量集中在高频段(1 000 Hz)，加强振动加速度的测量有助于做出正确判断。

5 结语

通过对P223和P506高速泵故障中发生的磨损、振动、泄漏等原因分析，有针对性地采取了改进措施，掌握高速泵的日常维护技巧，积累了大量对于高速泵的维修经验，保证维修质量。高速泵的良好使用，不仅取决于泵本身的性能，更重要的是日常的维护保养，良好的日常维护可以延长设备的使用寿命，使其以最佳状态运行，发挥泵最高的性能，保证其长周期稳定运行，降低生产成本，同时可以减少维修费用。