浅析风机振动超标

浅析风机振动超标

周四

中冶南方武汉工程咨询管理有限公司  湖北武汉 432700

摘 要:本论文以某烧结厂余热锅炉循环风机在试运行阶段振动超标为研究论题，根据因素分析法逐步排除各种辅助影响因素，一步步论证安装阶段影响风机振动超标关联因素进而找出引起振动超标关键因素，旨在强调风机设备安装与基础、主体结构相互关联和影响，提出改进基础结构形式和提高基础嵌固深度有利于约束上部结构振动和牵引进而抑制基础、管道、支架以及设备共振，改进风道走向减少内部振动因素。

关键词：风机振动，基础嵌固、抗拔、摩阻，振动超标关联因素，振动缘由。

前言:某钢厂15MW余热发电系统属于新建技改项目的烧结环冷余热回收再利用的环保节能项目，余热发电系统试运行阶段循环风机因振动值达到11.2mm/s以上甚至风机系统出现剧烈振动而故障停机，根据风机振动值标准和循环风机设备型号该风机振动烈度值在7.1mm/s以下为合格[1]，烧结机主线为保证高炉生产所需矿料不能停止生产，为此，烧结环冷余热只能外送甚至放散，该余热系统不能正常发电给建设单位带来较大经济损失。该振动值超标发生在工程热负荷试运行阶段，很显然与前期施工建筑安装有着必然联系，新采购成套设备出厂均有风机转子动平衡试验检测合格后才予以出厂的。从设计资料上得知该循环风机配套电机额定功率3500KW、电压10KV、风量Q=1080000N/h、风压P=5600Pa、工作温度T=℃140，循环风机为余热锅炉输送烟气关键性设备。为此，笔者论文围绕施工安装阶段对风机振动影响等因素展开分析与论证。

一、风机振动超标原因分析

项目单位组织设计、施工、监理、设备厂家多次专题会议研讨，最后议定问题所在：首先要求监理确认土建基础结构是否按图施工，基础刚度不够；其次风机转子安装近六个月未进行盘车，风机转子主轴本身存在扰动变形。施工和监理结合图纸和地质勘察报告以及施工过程资料核实：该工程基础结构施工过程符合设计图纸要求，基础埋置深度复核施工蓝图要求，地基土承载力经勘察单位检查满足设计要求土层，地基验槽程序合规，详见图1、2分别为设计图纸和实际施工影像资料。

图1                          图2

本设备基础为大体积砼，施工时应采取有效措施防止水化热的影响且一次浇捣而成，监理在隐蔽过程已验收合格并在基础浇筑过程全程旁站。经设计、监理以及施工共同核实基础结构施工质量可靠，不存在偷工减料而减少底板基础钢筋现象，基本上消除项目单位对基础筏板施工质量的质疑。

因前期循环风机基础和设备随环冷设备同步安装，后期因施工现场无高压电源，近半年未对风机进行盘车。客观上半年时间转子主轴存在变形可能。本论文中提及循环风机叶轮直径×主轴长度≈Φ3330×8200，根据动平衡原理该风机转子属于直径小于长度7～10倍的转子，通常将其当作双面转子看待。基于双面转子动平衡原理，在双面转子上假若有两块相等的质量配置在轴线两端、轴心对称的部位且处于静止状态，此时转子不存在质心偏离转轴问题，即静态平衡。但是，一旦风机高速运转时，两块质量相等铁块各自产生的离心力构成一个力偶，惯性轴与转动轴不再重合，致使轴承受到剧烈振动；或者惯性轴与转动轴产生夹角，并且两块质量相等铁块也不对称，造成质心偏离轴线，这是双面转子实际案例中最为普遍的不平衡现象。这种不平衡必须通过转动时的振动测量并且至少在两个平面上安放校正质量块才能消除。这个过程称为“双面平衡”。项目单位依据该双面平衡振动系统结构原理[2]、常年设备运行经验以及厂家相关资料进行该风机转子双面平衡配重块安装。同时设计单位出具第一版加固设计变更，将基础凸出地面部分短柱在短边方向予以连接进而增加基础刚度，图3、4分别为设计图纸和实际施工加固图片，施工单位按照上图已完成施工。

             图3                               图4

循环风机经运行一段时间后风机仍然振动值超标，项目单位进行再次转子动平衡配重块调整，运行后仍然振动值仍然超标，运行中大烟道内支撑拉裂，生产单位和施工连夜进行大烟道加固处理。经监理部核实大烟道由风机厂家生产制作，随设备统一进场，因成套设备图纸到场时间较晚，监理和项目单位仅仅核实风机和电机规格型号未及时按照图纸核实附属风道制作质量，驻厂监造环节把关不严。如果大烟道进场监理和项目组严格按照图纸检查验收或在驻厂监造环节按照工序严格验收不会产生大烟道振动拉裂情况。以下图5、6、7是原风道制作图片、设计以及整改后图片。因此，作为建设监造方，在我们没有搞懂设计规范背后缘由之前一定需要严格监督按照图纸施工且按照图纸和设备进场图纸等资料检查设备和结构管件质量 。

图5                 图6              图7

针对该专业性质量问题项目单位再次组织专题会议查找问题根源，从基础筏板结构、风机基础支墩、风管、风管支架全面梳理，笔者作为监理方一直认为问题根本在于需要找到引起振动缘由和产生共振原因，而不仅是基础底板和短柱刚度不够，建议建设单位从风门开启角度、风管结构以及是否设计在管道走向上是否存在弊端；在原有基础上通过提升基础嵌固部位和增加底部抗拔等来考虑减震，因风机高速运转以及风管振动没有其他外力给予该振动平衡或压重以致基础与结构共振，以上均是本论文主要观点。

二、采取减振主要应对措施

通过以上循环风机两次动平衡处理和基础多版加固方案来看，处理结果并非理想，但是风机转子动平衡在没有实施配重实时检测数据情况下需要多次反复配重试验检验的。因风机基础上部为悬臂式没有足够底部嵌固与之平衡，在高速运转风速带动下引起结构与基础共振，必须尽快完善基础压重、周边地坪或者其他基础嵌固方式。通过以上案例，在高速风机这类振动性设备的基础结构施工时必须严格按照图纸完成基础地上和地下所有结构形成封闭整体或者采取其他措施，使得基础与上部结构成为整体方可减少内力影响；或者前期设计阶段不采用整体筏板基础而采用桩基础，桩基础有足够嵌固和抗拔力，因为风机振动并非完全是平面方向X、Y方向水平位移而且还有H方向振动，无论是本案例中循环风机还是除尘、脱硫、炼铁以及烧结风机大多是疏导风速向上流通和放散，带有一定仰角，为此，风道和其他附属结构必然随风的流向有一个竖向牵引力，如何减少竖向牵引力影响，需要在大烟道支架结构和地面基础设置反向抗力，那就是增加基础嵌固和抗拔力。设计根据多方建议出具第二版加固方案，该方案基本上就是考虑基础压重和嵌固，图8、9分别为设计变更图和实际施工图片。

         图8                              图9

施工单位严格按照第二版方案实施，周边基础回填短柱地面设置拉梁，同时项目生产单位结合前两次找平衡情况进行第三次动平衡处理，目前风机运行至今半年有余各项振动指标正常，详见图10。

图10

三、风机振动超标关联因素

3.1 基础嵌固不够风机振动

冶炼项目强调的是使用功能达成为目的，项目质量管控主要强调主体结构和功能，工序施工完整性基本被大多冶炼施工单位所忽视，基础结构施工完成就进入主体结构以及设备安装等工作，往往忽略基础回填压实等地面封闭施工，基础回填没有严格按照设计要求压实系数回填，地面随公辅道路一起施工，甚至整个项目投用后再进行基础周边封闭与嵌固处理。基础和地下室嵌固端概念在民用建筑涉及较多，本论文中循环风机基础按照基础嵌固要求嵌固深度为1200mm(自▽-3.000~▽-1.800)，很显然基础嵌固深度不够，第二版加固方案在▽=0.000回填土后设置拉梁提高嵌固深度，基础地面短柱在▽+2.500设置拉梁增加短柱刚度，本设计修改方案实际上就是提高该基础嵌固端，从力学概念上的嵌固端来说[3]，指除能承受轴力、弯矩、剪力之外， XY方向水平位移、竖向位移及转角位移均为0的部位，依据该概念第二版修改设计后的基础在▽+0.000处各方向位移为0，确保基础有足够抗力抵抗基础上部短柱位移和变形，为此，风机底座对基础影响就较小，进而减少上部传来的振动。另一方面设计人员在风机基础结构验算时一般进行设备和结构竖向受压荷载验算而忽略设备运行时振动而带来H方向位移抑制力。基础竖向抗拔所需要处理措施，针对本案例筏板基础还可以采取基础周边回填压实或增加筏板面压重，提高对风机筏板基础侧壁摩擦阻力和阻抗，回填压实对提高基础或者地下室摩擦阻力影响较大[3]，同时需要考虑设计厂区地下常年水位，大型冶炼项目技改工程老厂区排水不畅，厂区水位常年较高影响基础周边回填摩擦阻力，回填土在水浸泡下成软塑状态，与结构混凝土没有粘结力，因此地下水偏高减少嵌固深度削弱回填土对基础表面握裹力。针对本案例的地质勘察报告以及具体场地环境提高嵌固和抗拔阻力可以在设计阶段考虑风机基础采用桩基础。同样的后期项目工程循环风机经第三方建议，设计沟通将循环风机天然筏板基础改为桩基础，桩基础不仅增加基础刚度同时提高基础抗拔力，该桩基础不仅考虑单桩承载力同时考虑一定桩壁摩擦阻力进而阻抗风机运行时三个方向位移，该烧结项目燃熔除尘风机基础采用桩基础无风机振动超标事宜，可以预测到后期余热项目循环风机运行将会在风机振动超标上有着明显改善。

3.2 转子质量不平衡引起的振动

 本论文转子放置在基座上近半年未进行盘车，转子存在一定扰动与变形从而转子质量发生改变，新建风机设备客观不存在叶轮磨损、叶片表面不均匀积灰、主轴高温变形等使用过程中转子质量改变。转子质量不平衡会在两端轴承中产生振动，动平衡的理论就是去建立轴承不平衡矢量和不平衡之间数学关系[4]，轴承振动值以水平方向为最大，而轴向很小，并且轴承座承力轴承处振动大于推力轴承处。风机出厂均进行转子质量平衡检测，进入施工现场安装周期较长时需要定期转动转子主轴或定期对称调整转子主轴水平放置方向，转子主轴长期一个方向放置会在重力作用发生微弱变形，是肉眼难以观测到。

3.3 风管走向、风箱加固形式加剧风机振动

风管设置走向引导气流向通畅方向行进，如果风道某些部件出口即是弯头或者变径距离太短等不合理的施工或设计，均会造成气流在风道内流通不畅，风道中会出现局部涡流或气流相互干扰、碰撞而引起气流的压力脉动，从而激发出噪声和风道的振动。所以，设计在考虑管线走向时不仅考虑各专业总图需要还需要考虑本专业实施弊端。

风箱结构内壁支撑采取材料尽可能圆形截面材料，减少风管内风阻，同时内支撑不能仅单向设置，必须形成稳定支撑体系，因为风速在运行时向每个方向扩散，在有限空间里向多维度方向冲击，仅仅约束一个方向易拉裂箱体结构，所以通常在方形风道采用正交加固支撑拉结。风流动在高速运行风管时必须外部采取加劲箍对风道外壁进行约束，增加风道外壁刚度，否则，会出现由于风道中气流的压力脉动与扰动而引起振动。

3.4 轴承座基础刚度不够引起的振动

轴承座基础刚度不够通常是指设备初步调平安装完成后进行螺栓孔灌浆，因基础灌浆不密实精调时将地脚螺栓拔起来，发生此现象原因预留孔洞未清理干净、有积水、或灌浆配合比不符合要求。尤其在北方地区如果孔洞积水未清理干净就灌浆，寒冷冬季来临时会将地脚螺栓上部混凝土或者灌浆料顶裂开。地脚螺栓松动、垫片松动、机座连接不牢固，都将引起剧烈的强迫共振现象。该振动的特点：未灌实地脚螺栓处的轴承座振动最大，在螺栓孔径向最大，振动频率是转子转速的奇数倍。为此，在工序报验环节必须由总包土建和设备专业工工程师会同监理工程师检查验收，往往大型技改项目忽略跨专业工序报验，该工序简称“中交”中间工序交接，仅仅组织总承包内部土建和设备验收即进入下道工序。针对此类关键工序必须经监理工程师查验合格后方可进入下道工序的施工。

3.5 联轴器异常引起的振动

联轴器是连接风机主轴和电机轴连接器，该环节也是风机安装关键环节，通常在风机、电机轴承座安装完成以后进行风机主轴与电机轴连接，该连接必须经监理部检查验收，验收主要检查项目就是风机和电机同轴度，即电机轴线和风机轴线在同一轴线偏差数据必须在规范允许范围之内，如果两轴偏差不在范围之内必然会使联轴器安装存在扭曲或不正，联轴器安装不正，风机和电机轴不同心，风机与电机轴在找正时，未考虑运行时轴向位移的补偿量，这些都会引起风机、电机振动。其振动特征为：振动为不定性的，随负荷变化剧烈，空转时轻，满载时大，振动稳定性较好；轴心偏差越大，振动越大；电机单独运行，振动消失；如果径向振动大则为两轴心线平行，轴向振动大则为两轴心线相交。

3.6 施工质量组织体系不完善、关键工序把控不严措施

质量体系不完善一直是项目工程质量管理的薄弱环节，因体系不完善而导致工程质量问题屡见不鲜，它也是项目工程质量管理工作的不足之处，尤其大型冶炼项目总包单位设置质量员岗位人员一般身兼数职，总包单位将质量管理工作向劳务分包作业班组分解，项目经理部职能部门形同虚设，因此，在项目质量管理工作中质量管理体系建设是首要任务。

项目部必须贯彻执行各种质量管理文件、规程、规范、和标准，项目经理部为了保证工程质量必须设置由项目技术负责人主管的质量部，专职质量员负责施工过程工序质量检查和验收，并整理完善各项施工技术资料，确保施工质量符合要求。常态化宣讲工程质量管理知识，提高工人的操作技能，在关键工序和部位时，由技术负责人到现场进行指挥和技术支持。只有质量保证体系完善才有专职质量管理人员跟进施工过程关键工序，才不至于在关键工序疏于管理而出现质量事故。监理部作为建设方委托管理咨询单位在工序验收等关键节点上须制定详细控制细则，严格把控土建与设备等其他专业之间交接工序。

结论及建议

关于风机振动相关论文各种期刊上均有报道，大多是风机正常运行或维保阶段的振动论述，本论文中从建筑安装工程角度阐述高速风机振动超标缘由，主要围绕土建基础和结构对风机振动影响，旨在强调基础嵌固深度和摩阻有利于约束风机振动，基础结构是设备运行基石；不同专业之间相互支撑和影响，强调带有仰角的管道在烟气运行时会对结构壁产生风速方向牵引力；说明了定期盘车的必要性；阐明在设备安装过程中关键工序控制对风机运行超标振动的影响；亦说明设计需要系统考虑关联各专业整体协调一致性，保证气流在管道畅通流动减少振动源。但也存在不足，缺乏风机向上牵引力计算数据支撑，依据此数据进一步论证基础嵌固深度和基础摩擦阻力以及桩基础抗拔力，避免基础设计取值偏大而发生不必要浪费。

参考文献

[1]郭静涛.核电站风机振动标准探讨[J].暖通空调,2020,50(S2):60-62.

[2]顾乾坤,唐一科,张济生.转子自动平衡理论及应用研究[J].重庆大学学报(自然科学版),1995(06):124-128.

[3]林功丁.结构嵌固端的确定及相关设计要点[J].福建建筑,2015(07):4-5.

[4] 马浩,贾庆轩,曲庆文,柴山,姚福生.转子动平衡理论分析[J].机械工程学报,2000(03):1-3.