汽动给水泵轴振超标问题分析与处理

赵 超，王华杰，张志清，吴立群，赵建华，张坤

（江苏阚山发电有限公司，江苏徐州 221134）

1 背景

某厂给水系统采用的是2 台50%BMCR（Boiler Maximu Continuous Rating，锅炉最大连续蒸发量）容量汽泵组和1 台30%BMCR 容量电泵组，电动给水泵通过液力耦合器调节给水泵转速，从而调整给水泵出力的大小，作为机组启动时使用，不考虑备用。1 台汽动给水泵运行，能够保证机组60%BMCR 的给水流量，2 台汽动给水泵运行，满足机组负荷100%BMCR 的给水流量。汽动给水泵是由原沈阳水泵股份有限公司制造的14×14×16-5HDB 型整体芯包式多级给水泵，芯包为日本荏原全进口芯包，进口设计压力1.964 MPa，出口设计压力29.472 MPa，给水泵设计最大流量886.99 t/h、最高转速5350 r/min。

作为电厂高速旋转的重要辅机之一，汽动给水泵检修工作长期以来一直作为该厂汽机专业检修的重点项目，检修全过程需要重点关注汽泵推力间隙测量与调整、轴瓦轴承座紧力、轴瓦与轴颈间隙、泵轴全抬量和半抬量调整、轴承的PT 渗透检验、联轴器中心复测等一系列检修工作。确保给水泵经过解体检修后，泵出力及轴振和轴瓦温度均在正常范围内。

2 问题概述

2021 年5 月25 日，某厂在机组检修期间更换了2A 汽动给水泵的芯包，14：20 在给水泵投运盘车时，2A 汽泵传动端和自由端轴振X、Y 相振动值都达到120 μm，该点振动定值为65 μm 报警、80 μm 跳机（图1）。随后电控专业将振动值的量程放大，测得传动端振动值为220 μm，自由端振动值为300 μm。在354 r/min 的低转速下，现场辅助测量轴承室的振动值小于10 μm，因此该轴振值不能反映轴振的真实情况。

图1 试转盘车时2A 汽泵轴振情况

为了进一步排查轴振超标的原因，电控专业现场测量轴颈间隙电压在2～3 V 波动，由电控专业提供的间隙电压与轴颈间隙的对应关系所示，如果间隙电压值在2～3 V 波动，那么对应间隙值即轴振在0.20～0.30 mm，即DCS 上显示的轴振超标排除了测量系统故障的因素（图2）。汽机检修人员现场拆除了汽泵传动端轴承室上端盖，通过临时架上机械百分表来测量轴的跳动值，测量结果是轴颈旋转一圈跳动值仅有0.01 mm，即电控系统测量的振动值与实际轴颈的跳动值不相符（图3）。为汽泵自由端轴颈处百分表测量的跳动值是0.01 mm，而自由端电涡传感器处存在0.09 mm 的轴颈椭圆度，而且在自由端轴颈和电涡传感器的轴截面区域有明显的加工痕迹，因此产生了自由端比传动端的轴振测量值偏大的现象（图4）。

图2 间隙电压与轴颈间隙的对应关系

图3 测量轴颈实际跳动值0.01 mm

图4 自由端轴振测点椭圆度0.09 mm

经过光谱测量仪分析出轴颈修复所涂镀材料为纯度99.97%的铬，轴的母材为410 型马氏体不锈钢，涂镀层与母材为不同材料（图5）。

图5 材料检测

3 轴振的测量原理

电涡流传感器测量轴振原理是根据输出电压的变化来判断轴振大小，传感器输出电压与轴径和探头间距离、被测轴径处电导率、磁导率有关[1]，转子旋转一圈，传感器输出电压可表示为：

其中，U（θ）表示转子旋转θ角度时传感器输出电压，z 表示转子旋转θ 角度时刻轴径与探头间距离，z 的变化就是轴振，ζ 表示转子旋转θ 角度时探头对应处轴径磁导率，η 表示转子旋转θ 角度时探头对应处轴径电导率。

对于材料均匀无剩磁的转子，轴径圆周各处的ζ、η 是相同的，转子旋转一圈输出电压的变化仅与z 有关，在排除轴径上有沟槽和毛刺后，如果转子旋转一圈，z 始终不变，说明转子没有轴振，此时不论转子哪个位置旋转到探头处，输出电压不变，电压是一个直流量。当转子绕轴心轨迹的中心旋转时，z 就发生变化，此时输出电压也发生变化，输出电压的变化量（即交流量）就反映了轴振。轴振测量的原理就是根据电涡流传感器输出电压的交流量来反映轴振的大小。

4 原因分析

由电涡流传感器测量轴振原理可知，电涡传感器对于被测量的给水泵轴颈材料非常敏感，传感器输出电压与轴颈和传感器探头间距离、被测轴颈处电导率、磁导率有关，给水泵轴颈修复所使用的高纯镀铬与母材相比，具有较弱的电磁特性，因为铬虽然具有元素固有的磁性，但是当温度大于38 ℃时，铬金属会变成顺磁性，即吸收磁场。在电涡传感器和给水泵泵轴表面之间既有磁效应又存在电涡流效应，根据电磁相关转换理论可知，磁效应与涡流效应产生效果正好相反。轴颈修复使用的铬金属涂层吸收了磁场，抵消了部分涡流效应，从而电涡流传感器感应测量出的轴振是透过镀铬层厚度，测得带有镀层厚度在内的由母材感应出来的电压值。而且在给水泵轴颈镀铬修复前，母材的损伤程度直接影响到镀铬层材料厚度，镀铬层材料厚度在圆周方向不一定均匀，这也会导致电涡流传感器的测量灵敏度发生变化，导致结果产生轴振满量程的虚假测量信号。

假定在被测给水泵轴颈的圆周方向上，镀层均匀且厚度也完全一致，此时轴颈的表面相当于是同一厚度的同种材料，那么被测给水泵轴颈处电涡流传感器的周向灵敏度相同的，按照实际跳动值修正后，轴振测量值可以作为测量有效的结果。文献［2］中介绍了某厂在2006 年汽动给水泵也是在更换芯包后的启动过程中，同样出现了在盘车状态下，电涡流传感器测得自由端轴振动在62～163 μm。结合此现象判断，与该厂本次出现的虚假测量值情况基本相似。此外，文献［2］，进一步对加工不同镀铬层厚度与测量间隙电压值进行了试验，试验条件是在泵轴的圆周方向上涂镀铬金属层，要求每一个试验泵轴在圆周方向镀层厚度相同，一共试验了5 组镀层厚度不同的泵轴，标定了不同镀层厚度的泵轴测量面处电涡传感器相应的灵敏度，定量地得到了电涡传感器的灵敏度与泵轴镀层厚度之间的对应关系图。但是，由于实际泵轴修复过程沿着泵轴圆周方向上涂镀的镀层厚度不可能完全相同，因此沿泵轴周向电涡流传感器测量的灵敏度并不是唯一的，导致现场无法进行精确的测量。

为了进一步验证镀层厚度与灵敏度之间的关系，采用泵轴在线下试验的方法测试，由于泵轴下线后无法进行盘动轴颈测量，因此只能通过移动测点位置的方式进行检测（图6）。检测方法是：先将磁性表座吸附固定在给水泵泵轴表面，表座杆的百分表卡环内安装本特利3300 电涡传感器，并手动锁紧，用1.33 mm标准厚度层式样片贴服在轴颈处，电涡传感器沿着轴颈旋转一周，由于使用了1.33 mm 的标准厚度式样片作为垫层，轴颈处的椭圆度小于0.01 mm，近似认为电涡传感器沿轴旋转一周，间隙是固定的1.33 mm。每测量一次电压完成后，调整电涡传感器使垂直厚度式样片并压紧在轴颈处，将轴颈自由端和传动端各划分12 个点测量，测出在间隙相同时不同位置的电压值，如图7 所示。

图6 现场检测示意

图7 间隙相同时传动端和自由端轴颈周向电压值

经过现场测量结果显示，镀层周向间隙电压分布受涂镀层厚度不均匀影响很大，证实2A 汽泵轴振动值超标是镀铬层厚度不均匀对电涡传感器测量产生了影响，测量振动值为虚假信号。

5 处理方案

针对上述轴颈修复产生的轴振测量超标的问题，2021 年11月15 日该厂对芯包重新进行了返厂处理，对汽泵传动端和自由端轴颈、轴振测点位置按照原来设计要求，采用了与母材材料相同的410 型马氏体不锈钢涂镀，按原设计尺寸对轴颈部位进行了磨削和精密压光处理，并同步进行了电涡测试检查（图8）。修复后的测试结果表明，汽泵轴旋转一圈，电涡传感器测试所得的轴振测量值小于0.01 mm，符合汽泵轴振的设计要求。

图8 传动端和自由端轴颈修复

6 结论

近年来又出现多家单位汽泵轴因轴颈修复产生轴振超标的问题，通过上述试验验证结果表明，汽动给水泵的轴表面使用镀铬层修复，对电涡流传感器灵敏度的影响很大，虽然铬金属具有较好的耐磨性和可修复性，但是作为设备维修人员需要全面关注镀铬修复对轴颈测量带来的影响，保证修复后轴振动测量不因镀层产生虚假信号。建议在泵轴镀铬修复工作开展前，设备维修人员和厂家提前沟通，确认电涡流传感器的检测位置，确保泵轴测点处的母材材料、镀层的材料均匀良好。还需关注轴颈涂镀后热处理工作产生的镀层金相组织不均匀等问题，在泵轴修复后建议对轴颈进行电涡流现场测试，确保镀层不影响轴振参数的正常测量。