分析とエンジニアリングのアップグレードによりリングセクションのポンプ故障を解決

米国の大手発電所では、複数のリングセクション (BB4) ボイラー給水ポンプで高振動と再循環の問題が発生し、複数の壊滅的な故障と計画外の停止が発生しました。 このケーススタディでは、完全な分析、トラブルシューティング、修理計画、再構築、および性能テストのためにアフターマーケット ポンプ サービス センターに出荷されたポンプの 1 つについて詳しく説明します。

複合サイクル発電所は、発電業界の「新参者」です。 ガスタービンと蒸気タービンの両方を組み合わせるように設計されたコンバインドサイクル発電所は、シンプルサイクル発電所と同じ燃料使用量で最大 50% 多くの電力を生成できます。 最新のコンバインド サイクル プラントは、10 分以内にエネルギーの生産を開始し、60 分以内にフル稼働する能力により、電力網の需要に迅速に対応することもできます。 これにより、断続的な再生可能技術を効率的に補完できます。

電力需要が変化し、コンバインドサイクル発電所が従来の化石発電所や火力発電所に取って代わり始めたため、使用されるポンプの種類も変化しました。 化石発電所では、多くの場合、堅牢で耐久性の高いバレル ポンプが使用されます。 これらのポンプは長期間連続して稼働し、プラントには通常、ユニットごとに 100% ポンプが 2 台、または 50% ポンプが 3 台設置されています。

コンバインド サイクル プラントでは、業界がより安価なセグメント リング ポンプに移行するにつれて、堅牢ではあるが高価なバレル ポンプの需要が減少しました。 最近の電力業界の変化により、事業者は、新しく設置されたユニットの平均修理間隔 (MTBR) の短縮、内部摩耗、高振動の問題に直面することがよくあります。

背景発電所でボイラー給水ポンプの性能と信頼性に関する多数の問題を経験した後、発電所の所有者は、カリフォルニア州ロサンゼルスにあるアフターマーケットポンプサービスセンターで包括的な根本原因分析と修理計画を追求することを選択しました。 調査の結果、最終的に、パフォーマンスの問題と予期しないポンプの故障に関連する一連の根本的な問題が明らかになりました。

調査結果、エンジニアリングされたソリューション、推奨事項最初のユニットの最初の検査と分析中に、バランス スリーブがシャフトに対してテーパー状のフィット感を持っていることがわかりました。 このタイプの設計は、バランス スリーブをシャフトに取り付けたり取り外したりするのに高圧と特別な工具が必要なため、一般的ではありません。 これは安全上の大きな懸念事項でもあります。

さらに、テーパーフィットバランススリーブがシャフトの降伏点近くに取り付けられました。 高圧とテーパーフィットにより、シャフトに望ましくないフィット感が生じ、高応力集中領域が生じました。 外径がシャフトに忠実ではないため、バランス スリーブの周囲に不均一な周圧または力が発生しました。 その代わりにシャフトが曲がるシナリオを作ってしまった。 逆方向の力、つまり曲げモーメントは 1 分間に 3,550 回発生し、バランス スリーブの根元に大きな曲げモーメントが発生し、最終的にはポンプ シャフトが疲労します。

最終段羽根車とバランススリーブの軸方向隙間を小さくするために、バランススリーブをストレートフィットとし、長さを長くする再設計を提案しました（画像1）。 これにより、ローターの不安定化を引き起こすウェアリングの「外れ」が防止されます。

インペラが前方に飛び跳ねて元の位置に戻る現象は依然として存在しますが、ギャップが減少したため、インペラはバランス装置への流れを制限できなくなります。

サービスセンターは、ポンプの元の設計では、回転防止ピンを使用した対面構成による組み立てが必要であることを発見しました。 ポンプの最終段のディフューザーには元の設計ではピンがなかったため、回転を防ぐためにカバーでディフューザーを「絞る」必要がありました。 この設計によって生じたギャップにより、O リングが早期に破損し、耐圧能力も制限されました。 ポンプの信頼性と最終段ジョイントの耐圧能力の両方を向上させるために、ディフューザーの面は精密研磨されました。 スタックアップ公差を厳しくすることにより、最終段ジョイントの耐圧能力も向上します。

もう 1 つの重要な発見は、スライド フィット インペラがハブ面の助けを借りてシャフト上の適切な位置で互いに保持されていることです。 しかし、面が垂直ではないため、ローターが曲がることになり、高い振動の問題が発生しました。

振れをチェックするためにローターをローラー上に置いたところ、TIR (トータルインジケータ振れ) は許容範囲内であるように見えました。 しかし、ポンプが動作し、インペラに油圧力がかかると、面がボアに対して正確に垂直にならないため、シャフトが曲がってしまいます。 この問題は、水力を模倣せずに検出するのが困難でした。

サービスセンターは、すべてのインペラの直角度と平行度を確認するための特別な張力ツールを設計および開発しました。 このツールを使用すると、動的条件下でローターが曲がるのを防ぐことができました (画像 2)。

サービスセンターは、自然なローターのたるみに完全に追従する人工的なカバーのたるみを生成するために、カバー面を再計算して機械加工しました。

カバーのオフセットが再計算されたことにより、バランススリーブとバランスブッシュの間のより狭い隙間を使用できるようになり、バランスラインを通る流れが減少しました。 バランスライン圧力は平均で約 30 ポンド/平方インチゲージ (psig) 減少し、MTBR も延長されました。

課題当初、発電所はポンプの元の設計を変更し、計画的なアップグレードを実行することに躊躇していました。そのため、サービス センターが問題とシャフト破損の可能性を完全に解決するという課題が生じていました。 アップグレードの交渉中に、プラントの別のボイラー供給ユニットが予期せず故障し、シャフトが破損しました。 サービス センターの予想どおり、この追加の障害により当面の問題が確認され、設計変更の緊急の必要性が強調されました。

状況の緊急性と提供されたデータにより、発電所はさらなる分析のために追加のポンプを送ることを選択し、提案​​された設計アップグレードを進めました。

検証のためのパフォーマンステスト発電所は、BB4 ポンプの全体的な健全性のベースラインを確立する際の主な基準点としてバランス ライン圧力を使用します。 バランスラインの圧力は、重要なはめあい、公差、および組み立て中に見逃しがちなその他の緩和要素の内部クリアランスが大きくなるにつれて増加します。 したがって、使用中のポンプの実際の状態を厳密に再現する性能テストは、修理プロセスにおける重要なステップです。

修理後、ポンプはシカゴにある油圧研究所認定のポンプ試験所に送られました。 ここで、ポンプは振動、圧力、流量を測定するための標準的なテストプロトコルを受けました。 信頼性を確保するために、収集される最も重要なデータ ポイントはバランス ライン圧力です。これは、セグメント リング ポンプのテストにおける独自の機能です。 テスト ラボのエンジニアリング サポートにより、サービス センターは、設置されたポンプの現場条件を厳密に模倣したテスト手順を設計および設定することができました。

サービスに戻る修理とテストが完了し、ポンプが設置されると、サービス センターは、同じ問題を示した複数の発電所から同一のセグメント リング セクション ポンプを多数受け取りました。 以前の再構築で得た知識を利用して、サービス センターは、これらの追加のボイラー給水ポンプに対して同様の一連の修理を迅速な時間枠で実行することができました。

現在、すべてのセグメント リング セクション ポンプは稼働に戻り、信頼性の問題もなく正常に動作しています。

サービス センターは、徹底的な検査プロセス、広範なプロセス管理手順、および厳格な合格基準を使用して、これらの修理を完了しました。

ロビー・バイロムは、エヴァンス・ハイドロ社の営業担当副社長です。 カリフォルニア州ロサンゼルス近郊にあるエバンス ハイドロは、西海岸および北米のその他の地域のポンプ ユーザーにサービスを提供することに特化したポンプ修理施設です。 詳細については、www.evans-hydr.com をご覧ください。