唐傳安，楊述闖，柯小磊，嚴(yán)建兵，王 旭，王 昆

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

技術(shù)交流

某VLCC船鍋爐給水泵故障原因分析

唐傳安，楊述闖，柯小磊，嚴(yán)建兵，王 旭，王 昆

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

某VLCC船2臺(tái)鍋爐給水泵在試航期間相繼發(fā)生故障，文章根據(jù)泵的相關(guān)理論，結(jié)合泵的特性曲線、工廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析了故障原因，并提出了預(yù)防措施。經(jīng)交船后運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)，其控制預(yù)防措施合理，無(wú)問(wèn)題反饋。

鍋爐給水泵；特性曲線；過(guò)載電流保護(hù)

1 故障經(jīng)過(guò)

某30.8萬(wàn)噸級(jí)VLCC船在試航期間，鍋爐給水系統(tǒng)的其中2臺(tái)給水泵(共3臺(tái))相繼發(fā)生故障。主要故障經(jīng)過(guò)如下。

1)在貨艙壓載階段,1#鍋爐處于自動(dòng)模式，負(fù)荷為25%～30%左右；2#鍋爐處于手動(dòng)模式，負(fù)荷為15%。2#鍋爐給水泵運(yùn)行一段時(shí)間后，該泵發(fā)生過(guò)載報(bào)警，經(jīng)檢查電機(jī)下軸承抱死。

2)在貨艙掃艙階段，2臺(tái)鍋爐以自動(dòng)模式運(yùn)行，總負(fù)荷約為單臺(tái)鍋爐的60%～70%，此時(shí)1#和3#鍋爐給水泵運(yùn)行。先是突然出現(xiàn)水位變化異常的情況，服務(wù)商在調(diào)試水位期間，3#給水泵突然過(guò)載報(bào)警，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)下軸承同樣抱死。

經(jīng)過(guò)拆檢發(fā)現(xiàn)，2臺(tái)給水泵除有電機(jī)下軸承抱死現(xiàn)象外，軸承端蓋均出現(xiàn)裂紋，電機(jī)輸出軸由于溫度過(guò)高，軸承區(qū)域出現(xiàn)變色，部分包線燒毀。

2 鍋爐給水系統(tǒng)組成

該船的鍋爐給水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見圖1。設(shè)有2臺(tái)輔鍋爐，用以保證VLCC型船的貨油泵透平和壓載泵透平的蒸汽供應(yīng)[1]；設(shè)有3臺(tái)鍋爐給水泵，每臺(tái)鍋爐給水泵可以保證1臺(tái)輔鍋爐的水量，剩余1臺(tái)給水泵作為備用。正常工作時(shí)，給水泵從熱井中抽水，經(jīng)給水控制閥調(diào)節(jié)后，將鍋爐需求的水量打入鍋爐中用于產(chǎn)生蒸汽。蒸汽在各用戶使用后，經(jīng)冷凝又返回至熱井中形成循環(huán)。

圖1 鍋爐給水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該船每臺(tái)輔鍋爐蒸發(fā)量：46 m3/h ，2臺(tái)；鍋爐工作壓力：0.6～2.0 MPa，設(shè)計(jì)壓力為2.4 MPa；每臺(tái)鍋爐給水泵(立式多級(jí)離心泵)：60 m3/h、2.64 MPa，3臺(tái)；給水泵電機(jī)：額定輸出功率 55 kW，額定電流 84 A。圖2～圖4為鍋爐給水泵的特性曲線，分別為流量—揚(yáng)程、流量—必需汽蝕余量、流量—額定輸出功率曲線。

圖2 鍋爐給水泵流量—揚(yáng)程曲線

圖3 鍋爐給水泵流量—必需汽蝕余量曲線

圖4 鍋爐給水泵流量—額定輸出功率曲線

3 故障原因分析

3.1 綜合分析

結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)和泵的常見故障[2-3]，鍋爐給水泵的故障可能由以下3個(gè)原因造成：①泵的自身裝配問(wèn)題。主要包括裝配不當(dāng)，潤(rùn)滑不良等。②泵的振動(dòng)。包括船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，自身不平衡或汽蝕等引發(fā)的振動(dòng)。③泵的外部條件變化。包括外部管路阻力變化或混入異物等導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載。

根據(jù)泵故障后的拆檢和試航期間的觀測(cè)記錄，分析可得該泵的裝配和潤(rùn)滑沒(méi)有問(wèn)題，泵所在區(qū)域船體振動(dòng)情況較好，未發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)有異物或葉輪變形的現(xiàn)象，故從汽蝕振動(dòng)和電機(jī)過(guò)載2方面進(jìn)一步分析泵故障原因。

3.2 汽蝕可能性分析

泵在輸送流體過(guò)程中，當(dāng)部分區(qū)域的壓力小于該溫度下的流體飽和蒸汽壓力時(shí)，液體將汽化，汽化產(chǎn)生的氣泡破滅時(shí)，會(huì)對(duì)泵體造成很大的沖擊，形成“汽蝕現(xiàn)象”，汽蝕會(huì)導(dǎo)致較大的噪聲和振動(dòng)，可能導(dǎo)致電機(jī)軸承損壞[4]。為此，根據(jù)汽蝕理論，按式(1)進(jìn)行校核[3]：

h=(PNPSH-Pf-Pv-Ps)/ρg，

(1)

式中：h為避免汽蝕允許的泵進(jìn)口安裝高度，m，如h為正值，表示泵可安裝在液面以上的最大距離，如h為負(fù)值，表示泵應(yīng)安裝在液面以下的最小距離。P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓力，約等于0.1 MPa；PNPSH為泵的必需汽蝕余量，根據(jù)圖3可得，在泵曲線范圍內(nèi)其最大值為0.027 MPa；Pf為泵的吸口管路阻力損失，經(jīng)過(guò)計(jì)算約為0.005 MPa；Pv為飽和氣體壓力，鍋爐給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度為80 ℃，對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和壓力約為0.05 MPa；Ps為安全余量，根據(jù)泵廠家要求，取0.005 MPa；ρ為水的密度，取1×103kg/m3；g為重力加速度，取10 m/s2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得知，h值為1.3 m，表示泵可安裝在液面以上的最大距離為1.3 m，而泵的實(shí)際安裝高度為液面以下5 m，遠(yuǎn)高于廠家要求，故泵發(fā)生汽蝕的可能性較小，實(shí)際拆檢結(jié)果也顯示泵葉輪狀態(tài)正常，沒(méi)有明顯的汽蝕現(xiàn)象。

3.3 電機(jī)過(guò)載的可能性分析

3.3.1 泵曲線與試驗(yàn)報(bào)告分析

針對(duì)實(shí)際工作狀態(tài)下，本船鍋爐給水泵的電機(jī)是否過(guò)載的問(wèn)題，首先可以確定該泵電機(jī)功率不滿足其設(shè)計(jì)工作點(diǎn)60 m3/h、2.64 MPa的功率需求，如圖4所示，在工作點(diǎn)時(shí)需求的功率為57 kW，而泵的電機(jī)輸出功率只有55 kW，說(shuō)明電機(jī)功率偏小。查閱該船鍋爐給水泵的船級(jí)社證書，可以發(fā)現(xiàn)其工廠試驗(yàn)時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鍋爐給水泵工廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以得出以下結(jié)論。

1)泵的實(shí)測(cè)流量和揚(yáng)程與圖2中的特性曲線誤差較小，可以認(rèn)為符合性較好，泵本體設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題。

2)在泵的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)60 m3/h 、2.64 MPa，實(shí)測(cè)電流超過(guò)額定電流，電機(jī)是過(guò)載的，這與根據(jù)圖4分析的結(jié)果一致。

3)泵只有在約53 m3/h、2.66 MPa工況以下運(yùn)行，才能保證電機(jī)不過(guò)載，正常工作。

3.3.2 鍋爐在穩(wěn)定狀態(tài)下的工況分析

在為鍋爐供水時(shí)，該泵實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)是否過(guò)載，應(yīng)從整個(gè)系統(tǒng)的配置和供水原理方面進(jìn)行分析。結(jié)合圖2和圖4可知，泵的流量和所需電機(jī)功率取決于管路系統(tǒng)的外部阻力，外界阻力小時(shí)，泵的流量和所需電機(jī)功率增大；反之則減少。

鍋爐運(yùn)行時(shí)，給水泵的外部阻力P為：

P=P1+P2+P3+P4

(2)

式中：P1為鍋爐內(nèi)部蒸汽壓力，最大值為鍋爐設(shè)計(jì)壓力，為2.4 MPa；P2為給水控制閥阻力，在最大蒸發(fā)量下，控制閥全開，約為0；P3為給水泵與鍋爐之間由于高度差引起的壓力，本船實(shí)際約為0.2 MPa；P4為整個(gè)管路系統(tǒng)阻力損失，約為0.05 MPa。經(jīng)計(jì)算可得P為2.65 MPa。

而在鍋爐最大負(fù)荷時(shí)，單臺(tái)鍋爐的蒸發(fā)量為46 m3/h。在穩(wěn)定狀態(tài)下，鍋爐蒸發(fā)量與供水量趨于平衡，所需給水泵的供水流量也為46 m3/h。故在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)鍋爐在最大負(fù)荷工作時(shí)，給水泵供水能力應(yīng)滿足46 m3/h、2.65 MPa的設(shè)計(jì)要求，低于53 m3/h、2.65 MPa這一實(shí)測(cè)電機(jī)過(guò)載臨界點(diǎn)，故電機(jī)不會(huì)發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象。

3.3.3 鍋爐實(shí)際工作狀態(tài)下的工況分析

在實(shí)際操作中，鍋爐蒸發(fā)量與供水量不可能始終保持一致，其水位一直處于波動(dòng)狀態(tài)。鍋爐補(bǔ)水是通過(guò)控制給水閥的開度來(lái)調(diào)節(jié)水量的，當(dāng)鍋爐實(shí)際水位小于理論水位時(shí)，給水控制閥打開，開始供水，且實(shí)際水位與理論水位的差值越大，給水閥的開度就越大；而當(dāng)鍋爐水位與理論水位差值變小時(shí)，給水閥開度就會(huì)逐漸變小直至關(guān)閉。根據(jù)這一控制原理，如果外部條件變化，造成鍋爐實(shí)際水位與理論水位差值較大時(shí)，給水閥開度就會(huì)變得較大，會(huì)使給水系統(tǒng)外部阻力變小，給水泵功率增大。

故從補(bǔ)水控制程序原理上講，這種方法僅保證了鍋爐水位低情況下的快速補(bǔ)水，沒(méi)有考慮系統(tǒng)阻力變化對(duì)鍋爐給水泵電機(jī)功率的影響和是否會(huì)造成電機(jī)過(guò)載。由于本船鍋爐給水泵的電機(jī)功率沒(méi)有覆蓋泵的整個(gè)曲線工作范圍，在鍋爐水位較低時(shí)，需求水量較大時(shí)，由于給水閥開度較大，外部阻力較小，根據(jù)泵的特性曲線，此時(shí)泵的工作點(diǎn)就會(huì)超過(guò)臨界值，造成電機(jī)過(guò)載。結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)，在下列工況下，會(huì)造成鍋爐實(shí)際水位與理論水位相差較大，造成電機(jī)過(guò)載。

1)外部蒸汽負(fù)荷突變。如新啟動(dòng)1臺(tái)貨油泵或其它蒸汽需求量大的用戶時(shí)，由于蒸汽需求量突然變大，水位快速下降，在鍋爐調(diào)節(jié)水位至平衡的一段時(shí)間內(nèi)，會(huì)發(fā)生電機(jī)過(guò)載現(xiàn)象；在調(diào)試或航海初期的頻繁試氣階段，發(fā)生這種現(xiàn)象的次數(shù)將較多。

2)在調(diào)試初期或使用過(guò)程中，為鍋爐首次加水或換水期間，鍋爐內(nèi)部沒(méi)有壓力，同時(shí)給水改為手動(dòng)操作，如閥門開度較大或操作不當(dāng)，外界阻力非常小，就會(huì)造成電機(jī)過(guò)載。

3) 在給水閥故障或給水控制失效時(shí)，如果給水閥處于全開狀態(tài)，則同樣會(huì)造成電機(jī)過(guò)載。

綜上所述，在鍋爐穩(wěn)定工作狀態(tài)下，此時(shí)蒸汽需求量波動(dòng)較小，水位變化較緩，本船的鍋爐給水泵電機(jī)功率可以滿足使用需求；但在某些實(shí)際存在的工況下，如蒸汽用戶突變或壓力突降，鍋爐水位下降就會(huì)很快，由于本船的給水泵電機(jī)功率較小，無(wú)法覆蓋泵的全部工作曲線范圍，給水泵電機(jī)就會(huì)發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象，分析認(rèn)為這是本船2臺(tái)鍋爐給水泵電機(jī)故障的本質(zhì)原因。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了避免鍋爐水位波動(dòng)對(duì)給水系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響，鍋爐給水泵的工作點(diǎn)和電機(jī)功率應(yīng)大于鍋爐的最大蒸發(fā)量，這也是廠家鍋爐給水泵設(shè)計(jì)工作點(diǎn)為60 m3/h、2.64 MPa的初衷，但其電機(jī)功率卻沒(méi)有跟設(shè)計(jì)工作點(diǎn)相互匹配。

3.3.4 電機(jī)過(guò)載電流保護(hù)設(shè)置分析

由于鍋爐給水泵在故障前，未發(fā)出任何電機(jī)過(guò)載報(bào)警，在故障分析期間也檢查了電機(jī)的過(guò)載保護(hù)設(shè)置是否正確。經(jīng)查該電機(jī)的額定電流為84 A，而實(shí)船過(guò)載電流保護(hù)的設(shè)置為100 A，分析其設(shè)定值偏大，無(wú)法在電機(jī)過(guò)載的情況下進(jìn)行有效保護(hù)。經(jīng)過(guò)查閱鍋爐廠家資料和廠家的書面溝通，廠家電氣設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)校核也認(rèn)為其電流過(guò)載保護(hù)設(shè)置過(guò)高。通過(guò)雙方交流發(fā)現(xiàn)，該泵為鍋爐廠家從外部采購(gòu)，而電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)由鍋爐廠家負(fù)責(zé)。該廠家長(zhǎng)期使用的標(biāo)配電機(jī)額定電流為99 A，電流保護(hù)設(shè)定值為100 A。但在本項(xiàng)目的系列船中，泵廠家更換了電機(jī)品牌和技術(shù)參數(shù)，額定電流變?yōu)?4 A，而對(duì)應(yīng)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括過(guò)載電流設(shè)置，未隨之更新，造成了這一設(shè)計(jì)失誤。

如果過(guò)載電流保護(hù)設(shè)置正確，即使電機(jī)在實(shí)際工作中發(fā)生過(guò)載，過(guò)載保護(hù)也會(huì)及時(shí)停止電機(jī)，不會(huì)造成電機(jī)的損壞。故分析認(rèn)為，過(guò)載電流保護(hù)設(shè)定值過(guò)高是電機(jī)損壞的直接原因。

4 解決及預(yù)防措施

根據(jù)原因分析，本船的電機(jī)故障主要是由2方面造成的，一方面為電機(jī)功率偏小，在某些蒸汽負(fù)荷變化較快的場(chǎng)合無(wú)法滿足給水泵的功率需求，造成電機(jī)過(guò)載；另一方面為過(guò)載電流保護(hù)設(shè)計(jì)值過(guò)高，無(wú)法有效保護(hù)電機(jī)。為此，在修復(fù)2臺(tái)損傷的電機(jī)后，采取以下預(yù)防措施來(lái)保護(hù)電機(jī)[5]。

1)按廠家電機(jī)實(shí)際技術(shù)參數(shù)，更改過(guò)載電流保護(hù)設(shè)置為92 A。

2)加裝相關(guān)操作說(shuō)明銘牌和更新鍋爐操作程序，防止鍋爐負(fù)荷突增。在有大量蒸汽用戶使用的情況下，要求取消自動(dòng)模式，改為手動(dòng)逐漸增加鍋爐負(fù)荷，待平穩(wěn)后再將鍋爐改為自動(dòng)控制模式。

3)嚴(yán)格控制鍋爐給水泵操作程序，在鍋爐壓力較低或手動(dòng)補(bǔ)水的情況下，應(yīng)手動(dòng)控制泵出口閥，保證泵出口壓力在允許范圍內(nèi)(不低于2.66 MPa )。

5 結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)修復(fù)后，按上述控制措施重新進(jìn)行試航交驗(yàn)，鍋爐給水泵運(yùn)行正常。交船后，也無(wú)任何問(wèn)題反饋，證明這些操作控制程序是合理和可靠的。但對(duì)這種使用工況比較復(fù)雜的水泵，由于其實(shí)際需求的工作點(diǎn)較多，建議電機(jī)功率應(yīng)滿足整個(gè)泵曲線的工作范圍要求，本船的電機(jī)輸出功率應(yīng)為62 kW以上。

[1] 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司，中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)，等.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)輪機(jī)分冊(cè)[M].3版. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[2]陳紹綱,朱國(guó)偉,李渤仲，等. 輪機(jī)工程手冊(cè)[M]. 北京：人民交通出版社，1992.

[3]關(guān)醒凡. 現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：宇航出版社，1995.

[4]任福安, 王名涌. 輪機(jī)工程基礎(chǔ)(上冊(cè))[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

[5]童大鵬, 田野，任榮社. 船用離心泵典型故障及排除[J]. 中國(guó)修船，2013,26(5)：48-50.

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Two of the boiler water-feeding pumps are failure in turn during sea trial on a VLCC ship.The malfunction reason is analyzed based on the theory of centrifugal pumps,the pump characteristic curve,factory test data and the electric diagram design.The preventive means are given finally,which is certified as reasonable and no negative feedback after ship's delivery.

boiler water-feeding pump;characteristic curve;overload current protection

唐傳安(1981-)，男，遼寧大連人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事船舶和海洋平臺(tái)的輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.001

2017-01-22