高壓鍋爐給水泵動(dòng)平衡檢測(cè)技術(shù)

一、檢測(cè)原理

轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要的激振源。高壓鍋爐給水泵轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，其微小的質(zhì)量偏心都會(huì)產(chǎn)生巨大的離心力，導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)、噪聲加劇、軸承磨損、機(jī)械密封失效，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故。動(dòng)平衡檢測(cè)與校正的核心原理在于通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的不平衡振動(dòng)響應(yīng)，識(shí)別出不平衡量的大小和相位，并通過(guò)在特定位置添加或去除質(zhì)量，使轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布趨于均勻，將不平衡量控制在允許范圍內(nèi)。

其科學(xué)依據(jù)主要基于剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡理論：

1. 力不平衡：轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)軸線，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生單一的離心力?？稍趩蝹€(gè)校正平面上進(jìn)行平衡校正。

2. 力偶不平衡：轉(zhuǎn)子的質(zhì)心位于旋轉(zhuǎn)軸線上，但主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線交叉，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)離心力偶。需要在兩個(gè)校正平面上進(jìn)行平衡校正。

3. 動(dòng)不平衡：普遍的情況，即力不平衡和力偶不平衡的綜合。其主慣性軸既不與旋轉(zhuǎn)軸線平行，也不相交。必須通過(guò)雙面動(dòng)平衡技術(shù)解決。

對(duì)于工作轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速的柔性轉(zhuǎn)子，還需考慮轉(zhuǎn)子變形的影響，平衡策略更為復(fù)雜，通常采用多平面、多轉(zhuǎn)速的振型平衡法或影響系數(shù)法。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

高壓鍋爐給水泵的動(dòng)平衡檢測(cè)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，主要包含以下項(xiàng)目：

1. 初始振動(dòng)檢測(cè)：在平衡校正前，測(cè)量轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速或工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動(dòng)幅值（位移、速度、加速度）和相位，確定初始不平衡狀態(tài)。

2. 不平衡量及相位識(shí)別：通過(guò)試重法或影響系數(shù)法，精確計(jì)算轉(zhuǎn)子在兩個(gè)或多個(gè)校正平面上不平衡量的大小和精確的相位角。

3. 校正方案制定與實(shí)施：根據(jù)識(shí)別結(jié)果，確定在校正平面上添加配重（如焊接、加裝平衡塊）或去除質(zhì)量（如鉆孔、銑削）的具體位置和質(zhì)量。

4. 驗(yàn)證性平衡檢測(cè)：完成校正后，再次運(yùn)行轉(zhuǎn)子至相同轉(zhuǎn)速，檢測(cè)殘余振動(dòng)，驗(yàn)證平衡效果是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

5. 高速動(dòng)平衡試驗(yàn)（針對(duì)柔性轉(zhuǎn)子）：在高速動(dòng)平衡機(jī)上，跨越轉(zhuǎn)子的一階乃至二階臨界轉(zhuǎn)速，進(jìn)行多轉(zhuǎn)速、多平面的平衡操作，以確保轉(zhuǎn)子在整個(gè)升速和工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。

三、檢測(cè)范圍

高壓鍋爐給水泵廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域的高壓蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，其動(dòng)平衡檢測(cè)要求因應(yīng)用場(chǎng)景的差異而有所不同：

1. 電力行業(yè)：

   • 燃煤電廠：主給水泵是鍋爐的關(guān)鍵設(shè)備，轉(zhuǎn)速高、功率大，通常要求進(jìn)行高速動(dòng)平衡，殘余振動(dòng)值要求極為嚴(yán)格，常遵循API、ISO或同等嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

   • 核電站：核級(jí)給水泵對(duì)可靠性和安全性的要求高，平衡檢測(cè)需在模擬實(shí)際工況的條件下進(jìn)行，并滿足核安全法規(guī)。

   • 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電站：給水泵需適應(yīng)快速啟停，對(duì)轉(zhuǎn)子的平衡穩(wěn)定性要求高。

2. 化工與石化行業(yè)：用于余熱鍋爐、工藝蒸汽鍋爐。環(huán)境常存在腐蝕性，平衡校正需考慮材料的兼容性和校正塊的防腐蝕能力。

3. 冶金行業(yè)：應(yīng)用于高爐鼓風(fēng)、余熱回收等系統(tǒng)。工作環(huán)境多粉塵、振動(dòng)干擾大，要求平衡后的泵組具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

4. 船舶與海洋工程：船用鍋爐給水泵空間受限，對(duì)轉(zhuǎn)子的緊湊性和平衡精度有特殊要求，且需考慮船舶搖擺帶來(lái)的附加載荷。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的平衡精度有系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，高壓鍋爐給水泵通常參照以下標(biāo)準(zhǔn)：

對(duì)比分析：API 610是行業(yè)事實(shí)上的高標(biāo)準(zhǔn)，尤其適用于電力、石化等關(guān)鍵領(lǐng)域的高壓給水泵。ISO 1940-1/GB/T 9239.1是理論基礎(chǔ)和通用準(zhǔn)則。在實(shí)際操作中，通常以合同或技術(shù)協(xié)議中規(guī)定的更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。

五、檢測(cè)方法

1. 單面平衡法：

   • 適用對(duì)象：適用于長(zhǎng)徑比小、工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于一階臨界轉(zhuǎn)速的剛性盤狀轉(zhuǎn)子。

   • 操作要點(diǎn)：在一個(gè)校正平面上，通過(guò)一次啟動(dòng)運(yùn)行，測(cè)量原始振動(dòng)，然后試重，再測(cè)量響應(yīng)，終計(jì)算出所需校正質(zhì)量和相位。

2. 雙面平衡法：

   • 適用對(duì)象：絕大多數(shù)高壓給水泵轉(zhuǎn)子，屬于剛性轉(zhuǎn)子且需要平衡力偶不平衡。

   • 操作要點(diǎn)：在兩個(gè)預(yù)先選定的校正平面上進(jìn)行。首先測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)的原始振動(dòng)，然后在其中一個(gè)平面試重，分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)；隨后在另一平面重復(fù)此過(guò)程。通過(guò)計(jì)算影響系數(shù)矩陣，可精確求解兩個(gè)平面所需的佳校正量。此法常用。

3. 多面平衡法（振型平衡法）：

   • 適用對(duì)象：柔性轉(zhuǎn)子，其工作轉(zhuǎn)速跨越臨界轉(zhuǎn)速。

   • 操作要點(diǎn)：在多個(gè)校正平面上進(jìn)行。原理是將不平衡量分解為各階振型的分量，通過(guò)在不同轉(zhuǎn)速下（特別是臨界轉(zhuǎn)速附近）進(jìn)行平衡，逐階降低各階振型的不平衡響應(yīng)。

操作核心要點(diǎn)：

• 精確測(cè)量相位：相位是平衡的靈魂，依賴于高質(zhì)量的相位基準(zhǔn)信號(hào)（鍵相器）。

• 試重選擇：試重應(yīng)能產(chǎn)生明顯可測(cè)的振動(dòng)變化，但不宜過(guò)大。

• 數(shù)據(jù)重復(fù)性：確保每次運(yùn)行在相同轉(zhuǎn)速、相同工況下進(jìn)行，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

六、檢測(cè)儀器

1. 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：便攜式一體化設(shè)計(jì)，集振動(dòng)傳感器、相位計(jì)、數(shù)據(jù)分析和平衡計(jì)算功能于一身。適用于現(xiàn)場(chǎng)在線平衡，無(wú)需拆卸設(shè)備，效率高。

   • 應(yīng)用：主要用于維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)快速校正。

2. 動(dòng)平衡機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：專用于轉(zhuǎn)子平衡的精密設(shè)備。分為硬支承式和軟支承式。

     • 硬支承平衡機(jī)：支承剛度大，平衡轉(zhuǎn)速低于支承系統(tǒng)共振轉(zhuǎn)速。測(cè)量的是不平衡離心力，與轉(zhuǎn)速的平方成正比。校驗(yàn)定標(biāo)后，測(cè)量結(jié)果與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，效率高。

     • 軟支承平衡機(jī)：支承剛度小，平衡轉(zhuǎn)速高于支承系統(tǒng)共振轉(zhuǎn)速。測(cè)量的是不平衡引起的振動(dòng)位移。其測(cè)量精度高，尤其適用于多品種、小批量的精密轉(zhuǎn)子。

   • 高速動(dòng)平衡機(jī)：具備真空艙、驅(qū)動(dòng)功率大、調(diào)速范圍寬，用于柔性轉(zhuǎn)子的高速平衡試驗(yàn)，可模擬實(shí)際工作狀態(tài)。

3. 核心傳感器：

   • 振動(dòng)傳感器：常用壓電式加速度傳感器，經(jīng)積分轉(zhuǎn)換為速度或位移值。要求頻響范圍寬、靈敏度高。

   • 相位基準(zhǔn)傳感器（鍵相器）：通常為電渦流傳感器或光電傳感器，提供每轉(zhuǎn)一次的脈沖信號(hào)，是確定不平衡相位的基準(zhǔn)。

七、結(jié)果分析

1. 殘余不平衡量計(jì)算：

   • 根據(jù)平衡后測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)或直接在平衡機(jī)上讀取，計(jì)算出每個(gè)校正平面的殘余不平衡量（單位：g·mm）。

   • 將該值與標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 1940-1）規(guī)定的許用殘余不平衡量進(jìn)行比較。許用值計(jì)算公式為：Uper = (G × 1000 × M) / ω，其中G為平衡品質(zhì)等級(jí)，M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量(kg)，ω為工作角速度(rad/s)。

2. 振動(dòng)值評(píng)判：

   • 平衡的終目的是控制振動(dòng)。即使殘余不平衡量合格，終的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)值也必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如API 610、JB/T 8097）規(guī)定的限值。

   • 分析振動(dòng)頻譜，確保主導(dǎo)頻率為工頻（1X），且其他倍頻、非同步頻率成分無(wú)顯著增大，以避免掩蓋其他機(jī)械故障（如不對(duì)中、松動(dòng)等）。

3. 平衡品質(zhì)等級(jí)評(píng)定：

   • 根據(jù)終的計(jì)算結(jié)果，判定轉(zhuǎn)子是否達(dá)到了目標(biāo)平衡品質(zhì)等級(jí)（如G1.0）。這是衡量平衡精度直接的指標(biāo)。

4. 穩(wěn)定性分析：

   • 對(duì)于重要泵組，需在不同時(shí)間段、不同工況下多次測(cè)量振動(dòng)，觀察平衡效果的穩(wěn)定性，確保轉(zhuǎn)子在長(zhǎng)期運(yùn)行中不會(huì)因熱變形、結(jié)垢等原因?qū)е缕胶鉅顟B(tài)惡化。

綜上所述，高壓鍋爐給水泵的動(dòng)平衡檢測(cè)是一項(xiàng)融合了理論、實(shí)踐和高精度測(cè)量的綜合性技術(shù)，是保障其長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。