崔鐘續(xù)，何可禹，于 月，劉云秀，張 輝，劉大東，鄭東啟，劉廷玉

(1. 中化泉州石化有限公司，福建泉州 362103; 2. 廣東茂化建有限公司泉州分公司,福建 泉州 362103)

某公司330萬t/a渣油加氫裝置進(jìn)口高速注水泵型號(hào)為HMP-3512，臥式兩級(jí)。主動(dòng)軸上裝配大齒輪(直齒)，徑向?qū)ΨQ布置兩個(gè)同型號(hào)小齒輪，從動(dòng)軸與小齒輪一體，一級(jí)葉輪帶誘導(dǎo)輪泵。入口壓力0.34 MPa，出口壓力18 MPa。介質(zhì)為除鹽水，設(shè)計(jì)流量51.4 m3/h，轉(zhuǎn)速14 648 r/min，汽蝕余量(NPSHr)9.61 m。該型泵的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地小、壓力高。

1 故障原因

高速泵正常為一開一備，半年切換一次。2014年開工，運(yùn)轉(zhuǎn)第二年后發(fā)現(xiàn)B泵運(yùn)轉(zhuǎn)聲音較A泵大, 隨即組織專業(yè)人員對(duì)B泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。頻譜分析顯示，該聲音多為低于10 Hz的低頻成分，且能量較小。對(duì)設(shè)備進(jìn)行解體時(shí)發(fā)現(xiàn)，齒輪箱油有乳化現(xiàn)象，且齒面存在不同程度的銹蝕(見圖1)，而機(jī)械密封并未發(fā)生泄漏，因此，分析齒輪銹蝕原因?yàn)楹｛}霧腐蝕。

圖1 主動(dòng)齒輪齒面銹蝕

2018年8月5日00：18，泵出口流量突然從51 m3/h降低至48 m3/h，遂將流量控制閥改為手動(dòng)。5 min之后,泵突然停止。操作人員認(rèn)為是流量波動(dòng)造成電機(jī)過載保護(hù)，隨即再次啟動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)5 min后再次停泵。從SIS聯(lián)鎖記錄中確認(rèn)，兩次停泵原因均為軸位移一取一聯(lián)鎖。隨后啟動(dòng)備用泵。

將B泵進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)，一級(jí)高速軸輪齒折斷6根(連續(xù))，主動(dòng)軸齒端有兩處折斷，且誘導(dǎo)輪折斷(見圖2)，殼體內(nèi)部局部磨損，止推瓦也出現(xiàn)磨損。

2 故障分析

通過查詢SIS數(shù)據(jù)，分析流量、振動(dòng)、位移和電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，初步推測(cè)故障如下。

SIS中泵故障前后的歷史趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可以看出：泵在8月4日23：53時(shí)，一級(jí)軸振動(dòng)增大5 μm和8 μm，二級(jí)軸振動(dòng)增大1.3 μm和2 μm，位移、流量值穩(wěn)定。這些數(shù)據(jù)表明：此時(shí)一級(jí)軸齒輪應(yīng)該有斷齒，導(dǎo)致一級(jí)振動(dòng)大于二級(jí)振動(dòng)。

圖3 SIS中泵故障前后歷史趨勢(shì)

0：18，一級(jí)軸振動(dòng)逐漸上升,一級(jí)軸位移小幅度變化，此時(shí)的電流從28.9 A上升至29.3 A，然后下降至28 A，泵流量下降。這些數(shù)據(jù)表明：一級(jí)齒輪嚙合被破壞，崩齒現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大。一級(jí)軸轉(zhuǎn)速因此受到影響，導(dǎo)致泵性能下降，進(jìn)而反映在流量和電流的下降上。

如果嚙合齒斷掉一半，軸將會(huì)受到一個(gè)軸向的分力，這會(huì)導(dǎo)致軸位移變大。0：23，一級(jí)軸位移值達(dá)到-0.5 mm，聯(lián)鎖停泵，此時(shí)并未發(fā)現(xiàn)是位移聯(lián)鎖。

一級(jí)軸有誘導(dǎo)輪，泵工作時(shí)軸向受力方向指向入口，而再次啟動(dòng)后一級(jí)軸位移值-0.13 mm，工作位置遠(yuǎn)離入口，并不是正常工作位置。這些數(shù)據(jù)說明，此時(shí)誘導(dǎo)輪已斷裂。在斷齒和誘導(dǎo)輪斷裂的共同作用下，一段時(shí)間后泵位移再次達(dá)到聯(lián)鎖值。

3 排除軸承故障頻率

下面先從SIS記錄的趨勢(shì)圖進(jìn)行分析，通過軸承頻譜分析判斷振動(dòng)是否是由軸承故障導(dǎo)致的。

該泵低速軸軸承型號(hào)為6311和6310。根據(jù)SKF軟件計(jì)算的軸承故障特征頻率見表1。

表1 SKF軟件計(jì)算軸承故障特征頻率 單位：Hz

高速泵的主動(dòng)齒輪齒數(shù)Z1=193，轉(zhuǎn)速n1=2 960 r/min；從動(dòng)齒輪齒數(shù)Z2=39，轉(zhuǎn)速n2=14 648 r/min。由文獻(xiàn)【1】可知：

fc=f1Z1=f2Z2=n1Z1/60=n2Z2/60

(1)

式中：fc——嚙合頻率,Hz;

f1——主動(dòng)輪轉(zhuǎn)頻,Hz;

從表6可以看出，上海大型賽事的選擇與對(duì)標(biāo)城市倫敦、紐約、東京、巴黎和墨爾本有著較高的一致性，其中網(wǎng)球、F1、田徑、高爾夫、馬拉松是上述城市都比較青睞的賽事項(xiàng)目。此外，對(duì)標(biāo)城市都有舉辦具有本國(guó)特色的賽事項(xiàng)目，如倫敦舉辦的皮劃艇、橄欖球，紐約的印地賽車、籃球，東京的棒球、柔道，巴黎的自行車，墨爾本的板球等都是具有民族特色的賽事品牌。上海的斯諾克賽事雖然屬于級(jí)別較高的國(guó)際性賽事，但尚處于小眾的賽事項(xiàng)目，項(xiàng)目特性也與上海城市文化不太緊密。

f2——從動(dòng)輪轉(zhuǎn)頻,Hz。

故

fc=2 960×193/60=14 648×39/60

=9 521.3

該泵雖有在線振動(dòng)檢測(cè)，但并沒有在線分析系統(tǒng)。圖4是發(fā)生故障前一天的一級(jí)高速軸水平加速度頻譜。從頻譜上來看，并沒有軸承故障的特征頻率，齒輪嚙合頻率也很小。這有兩種可能，一是齒輪嚙合較好，二是傳感器的頻響精度差。曾有人把某國(guó)產(chǎn)傳感器與國(guó)外品牌進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，國(guó)內(nèi)傳感器頻響明顯低于國(guó)外品牌。本設(shè)備使用的為國(guó)產(chǎn)傳感器，所以需要考慮傳感器頻響差對(duì)特征頻率的影響。

4 排除齒輪故障頻率

齒輪箱的振動(dòng)診斷分析方法一般有4種，即時(shí)域平均法、頻譜分析法、倒頻譜分析法以及其他分析法(時(shí)序模型、頻率調(diào)節(jié)等)【2】。較為常用的是頻譜分析法。

圖4 一級(jí)高速軸水平加速度頻譜

頻譜分析法可以通過對(duì)嚙合頻率及其邊頻的分析，明確判斷出齒輪的故障原因，對(duì)于后期針對(duì)性檢查和維修具有重要的指導(dǎo)意義。齒輪幾種典型故障的特征如下：

1) 齒輪點(diǎn)蝕：嚙合頻率邊頻帶階數(shù)少，而且集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側(cè)，左右基本對(duì)稱；

2) 齒輪裂紋：嚙合頻率兩側(cè)邊頻對(duì)應(yīng)幅值明顯不對(duì)稱，且兩側(cè)幅值變化較大；

3) 齒輪齒端折斷：一階嚙合頻率兩側(cè)有少量的邊頻帶且兩側(cè)不對(duì)稱，一側(cè)邊頻幅值是另一側(cè)的2～3倍；

4) 齒輪輪齒折斷：伴有嚙合頻率的高次諧波成分，且兩側(cè)有邊頻現(xiàn)象，嚙合頻率左側(cè)高次邊頻幅值升高，右側(cè)2次邊頻幅值升高，一般會(huì)超過嚙合頻率的幅值【3】。

圖4中①、②、④為近似高速軸轉(zhuǎn)頻倍頻，邊頻為246 Hz，是大齒輪的轉(zhuǎn)頻，該頻譜中并未顯示出齒輪故障特征頻率。

在排除軸承故障頻率和齒輪的故障頻率后，結(jié)合運(yùn)行參數(shù)， 推測(cè)本次故障的順序?yàn)椋?一級(jí)軸齒輪由于疲勞或者某種原因先出現(xiàn)斷齒， 斷齒逐漸發(fā)展， 導(dǎo)致泵的性能下降， 同時(shí)軸受力方向發(fā)生變化， 最終聯(lián)鎖停泵； 誘導(dǎo)輪在停泵或者第二次啟泵瞬間斷裂， 導(dǎo)致泵流量和一級(jí)軸振動(dòng)、 位移再未回到正常運(yùn)行狀態(tài)， 軸位移在雙重故障作用下再次聯(lián)鎖停泵。造成齒輪疲勞的原因可能是齒輪加工殘余應(yīng)力、 材料滲碳工藝、 齒面加工精度等。

5 設(shè)備維修

因采購(gòu)進(jìn)口備件至少需要3個(gè)月，而生產(chǎn)上長(zhǎng)時(shí)間無備用泵也存在風(fēng)險(xiǎn)，所以考慮請(qǐng)國(guó)內(nèi)有資質(zhì)廠家進(jìn)行維修或直接采購(gòu)。

國(guó)內(nèi)某高速泵廠家建議購(gòu)買該廠整臺(tái)泵，在對(duì)方給出結(jié)構(gòu)圖和配件清單后，發(fā)現(xiàn)所有配件與目前使用的泵均不通用，這增大了后期維護(hù)成本。該方案被否定。

轉(zhuǎn)而聯(lián)系包括某發(fā)動(dòng)機(jī)公司、某機(jī)械設(shè)備研究所、某巡航高科技有限公司、某航天動(dòng)力研究所在內(nèi)的國(guó)內(nèi)齒輪加工廠。通過對(duì)比工期，最終選擇了維修工期20 d的某機(jī)械設(shè)備研究所，要求其按照原齒輪1∶1進(jìn)行測(cè)繪，在加工廠加工完成并經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)合格后再到現(xiàn)場(chǎng)安裝。

在制造前與廠家簽訂設(shè)計(jì)制造技術(shù)協(xié)議，對(duì)軸和齒輪的選材、加工、熱處理硬度標(biāo)準(zhǔn)、齒輪精度、軸的表面粗糙度以及動(dòng)平衡等級(jí)等都提出了詳細(xì)要求。其中，齒輪齒面磨削精度要求達(dá)到GB/T 10095.1—2008【4】中的5級(jí)，優(yōu)于原廠采用的AGMA11級(jí)；齒面進(jìn)行滲碳淬火處理，表面硬度58～62HRC；熱處理質(zhì)量應(yīng)符合GB/T 3480.5 —2008的規(guī)定；轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校正，精度應(yīng)符合GB/T 9239—2006中G1.0級(jí)的規(guī)定；裝配后，在國(guó)家齒輪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督與試驗(yàn)中心進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，測(cè)量參考項(xiàng)目包括軸振動(dòng)小于10 μm、箱體振動(dòng)小于2.5 mm/s以及潤(rùn)滑油溫升不大于30 ℃等。

對(duì)上述加工精度標(biāo)準(zhǔn)解讀如下：GB/T 10095.1【4】的精度等級(jí)是從0級(jí)到12級(jí),共13個(gè)精度等級(jí), 其中0級(jí)精度最高(公差最小)；AGMA的精度等級(jí)是從3級(jí)到15級(jí),同樣是13個(gè)精度等級(jí), 15級(jí)精度最高(公差最小)。兩者等級(jí)并不能一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法可對(duì)兩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，即用17減去GB中規(guī)定的精度等級(jí)便得出相應(yīng)的AGMA等級(jí)【5】。國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者為計(jì)算齒根應(yīng)力建立了比較精確的有限元分析模型，從計(jì)算結(jié)果也可以看出，ISO/GB標(biāo)準(zhǔn)比AMGA標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果更為保守【6】，所以對(duì)于使用者而言，使用ISO/GB標(biāo)準(zhǔn)有更高的裕度。

重新制造的齒輪在加工廠運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)合格后運(yùn)回現(xiàn)場(chǎng)組裝。組裝完成后，泵試運(yùn)行顯示，各項(xiàng)參數(shù)正常，軸振動(dòng)、齒輪箱振動(dòng)都達(dá)到了較好水平，現(xiàn)場(chǎng)噪音較以前明顯減小，潤(rùn)滑油溫度較以前降低5 ℃。這與齒輪制造標(biāo)準(zhǔn)、加工精度提高有關(guān)，證明齒輪加工質(zhì)量較好。

6 高速泵運(yùn)行的其他問題

在高速泵運(yùn)行過程中也遇到了一些其他問題，比如誘導(dǎo)輪汽蝕問題，2臺(tái)泵流量相差較大導(dǎo)致切換泵時(shí)出、入口管道振動(dòng)大的問題，位移、振動(dòng)、密封多項(xiàng)報(bào)警以及聯(lián)鎖值設(shè)置不合理等問題，經(jīng)過逐步探討，問題都得到解決。前面提到的齒輪銹蝕問題，也通過在齒輪箱通入少量氮?dú)獾姆椒ㄊ箚栴}得到了徹底解決。通入氮?dú)夂?，?jīng)過長(zhǎng)期觀察，未發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油出現(xiàn)乳化現(xiàn)象。

7 結(jié)論

此次故障的順利消除，證明了國(guó)內(nèi)齒輪制造廠家的能力與水平。管理方面，隨著對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的理解逐漸深入以及對(duì)各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)熟悉程度的不斷提高，通過現(xiàn)象抓本質(zhì)，提高了現(xiàn)場(chǎng)故障判斷的準(zhǔn)確性。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，以前完全依賴進(jìn)口的設(shè)備，近幾年也逐漸實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，部分國(guó)產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)走向成熟。