遠心ポンプ軸曲がりの原因解析と修理方法

遠心ポンプは、石油化学、電力、水処理、鉱山排水産業で広く使用されています。ポンプ シャフトは、遠心ポンプの中心となる回転部品であり、安定した効率的な運転を確保するために非常に重要です。しかし、ポンプシャフトはさまざまな要因により使用中に曲がりや変形が起こりやすく、振動の増加、ベアリングやシールの早期摩耗、さらにはシャフト破損などの重大な故障につながることがあります。したがって、ポンプシャフトの曲がりが許容範囲を超えた場合には、速やかに矯正する必要があります。

本稿では、遠心ポンプの軸曲がりの主な原因、曲がりの検出・評価方法、各種矯正加工の技術原理や操作のポイントなどを簡単に紹介し、ポンプ設備のメンテナンスの参考とさせていただきます。

• 遠心ポンプのシャフト曲がりの原因

ポンプ シャフトの曲がりの原因はさまざまですが、主に次のようなものがあります。

不適切な動作条件:

遠心ポンプが最適効率点から逸脱した領域で長期間動作すると、インペラに不均衡な半径方向の力が加わり、周期的なシャフトのたわみが発生します。繰り返しの動作により、塑性曲げ変形が生じる可能性があります。さらに、不適切な起動および停止手順（均一な温度分布を可能にするための連続した起動と停止の間隔が不十分な場合など）は、容易に熱応力の蓄積を引き起こし、塑性曲げを引き起こす可能性があります。-

取り付けと調整の問題

ドライブユニットとポンプ間のカップリングの位置合わせ精度が不十分だと、シャフトに追加の曲げモーメントが発生する可能性があります。シャフトに角度のずれがあると、曲げが発生し、強度の高い半径方向の振動として現れます。- -長期にわたるミスアライメント操作はシャフトの疲労損傷を加速し、さらには曲がりを引き起こす可能性があります。

外部からの衝撃と過負荷

ポンプ運転中に急激な衝撃（羽根車への異物噛み込みなど）が加わった場合や、媒体中の固体粒子により羽根車の動バランスが崩れた場合、軸受に設計値を超えるトルクがかかり、軸受が曲がる場合があります。

熱応力と残留応力

高温媒体ポンプの起動と停止が頻繁に行われる場合、または動作条件が急激に変化する場合、シャフトの内部熱応力分布が不均一になります。{0}製造プロセスによる残留内部応力は使用中に徐々に解放され、シャフトが徐々に曲がったり変形したりする可能性もあります。

• ポンプシャフトの曲がり検出方法

真っ直ぐにする前に、ポンプシャフトの曲がり状態を正確に測定する必要があります。ランナウトは、シャフトの曲がりの程度を評価するための中心的な技術指標です。

測定ツールとセットアップ。ポンプ シャフトの両端を V- ブロックで支え、自由に回転できるようにします。ジャーナル、シャフトの中間、カップリング端などの重要な位置にダイヤルインジケーター（またはマイクロメーターインジケーター）を設置し、プローブがシャフト表面に対して垂直であることを確認します。

測定方法。ポンプシャフトをゆっくりと 1 回転させ、ダイヤルインジケーターの最大値と最小値を記録します。これら 2 つの測定値の差は、そのセクションの半径方向の振れです。測定結果に基づいて、最大曲げ点における曲げの位置、方向、曲げ量を求めることができます。

許容公差基準。 「遠心ポンプのオーバーホール」や API 610 規格などの業界の技術仕様によると、ポンプ シャフト矯正の技術要件は次のとおりです。 1) ジャーナルのテーパーと楕円率はシャフト直径の 1/2000 を超えてはならず、最大値は 0.05 mm を超えてはなりません。 2) ジャーナル表面にはピッチングや溝などの欠陥があってはならず、最大許容表面粗さ Ra は 0.8 μm です。ジャーナルの真円度および円筒度の誤差は 0.02 mm 未満である必要があります。 3) 遠心オイルポンプのシャフトの真直度は、全長にわたって 0.05 mm を超えてはなりません。 4) API 610 規格では、低速ポンプ シャフトの総振れは 0.025 mm を超えてはならず、高速ポンプの場合は 0.02 mm を超えてはなりません。-測定された振れが上記許容値を超える場合には、矯正処理が必要となります。

さらに、真っ直ぐにする前に、磁粉試験（JB/T 6912 規格に準拠）などの非破壊試験を最大の曲げ領域に対して実行して、亀裂などの表面または表面近くの欠陥の存在を確認する必要があります。{2}亀裂が存在する場合は、矯正を行う前に亀裂を処理する必要があります。そうしないと、矯正プロセス中に亀裂がさらに拡大する可能性があります。

• ポンプシャフトの曲がりを修正する方法

ポンプシャフトの材料特性、直径、曲げの程度、使用要件に基づいて、矯正方法は主に冷間矯正、熱間矯正、複合矯正の 3 つのカテゴリに分類されます。また、ねじり矯正などシーンに合わせた加工もございます。冷間矯正は曲げ量が少ない場合に適しており、主に室温で機械的圧力によりシャフトの真直度を矯正します。熱間矯正では、局所的な加熱を使用して金属に制御された塑性変形を引き起こし、曲げ量が大きいシャフトや高硬度の材料に適しています。-加熱と圧力を組み合わせた複合矯正は、適度な曲げ量と高精度が要求される用途に適しています。

冷間矯正法

冷間矯正法とは、室温で曲がったポンプシャフトに機械的な外力を加えて矯正する方法です。主に軸長が短く、しなり量が少ない作業条件に適しています。

ホット矯正

熱間矯正では、加熱条件下での金属材料の可塑性の増加と応力緩和の原理を利用して、曲がったポンプ シャフトを矯正します。主に炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼などの長いシャフト、しなりの大きいシャフト、または高硬度材（硬度35HRC以上）のシャフトに適しています。

ねじり矯正方法

ねじり矯正法は、局所的な衝撃を利用して金属表面を伸ばして矯正する冷間加工法です。軸径が大きく曲がり量が少ない状況に適しており、特に現場での緊急修理作業において一定の利点があります。-

技術原理:シャフトの曲がった凹面をハンマーとピンセット（通常はシャフトの表面に一致する湾曲した作業端を備えた鋼製）で叩きます。これにより、衝撃を受けると表面の金属が塑性的に伸び、徐々に曲がりがなくなります。

動作点:シャフトを広葉樹または板金を詰めた四角い鉄板の上に、凹面を下にして置きます。最も曲がった凸面の頂点に広葉樹を支えとして使用し、クランプで両端に下向きの圧力を加えます。シャフトの円周の 3 分の 1 以内で、最大の曲がりの点 (最も低い凹面) から打ち始め、徐々に外側に広げます。中央エリアの衝撃密度は側面よりも高くなければなりません。矯正量は通常、打撃回数に比例します。各ラウンドの打撃後、要件が満たされるまで、ダイヤルインジケーターを使用して曲がりの変化を測定します。最後に、加工硬化と残留応力を除去するために、300 ～ 400 度の低温焼戻し処理を行います。-

予防：ピンセットはポンプ シャフトよりも硬度の低い材料で作るか、硬い材料に銅のスリーブをはめ込んだものを使用する必要があります。シャフト表面の損傷を防ぐために、ピンセットの端は丸い角を持っている必要があります。サポートはツイストロッドよりも柔らかく、シャフトとの接触面積が十分に大きい必要があります。

品質の受け入れと非破壊検査-

矯正後は、ポンプ シャフトの包括的な品質検査を実施して、矯正の品質が動作要件を満たしていることを確認する必要があります。まず、ジャーナル、軸心、カップリング端などの重要な部分の振れをダイヤルインジケータを使用して検査および測定し、すべてのインジケータが基準要件を満たしていることを確認します。次に、JB/T 6912 規格に準拠した強磁性材料ポンプ シャフトの磁粉試験を使用して非破壊試験が実行され、矯正後の新たな微小亀裂や表面欠陥がチェックされます。必要に応じて、熱処理（局部加熱および矯正後の低温アニーリングなど）によって内部応力が適切に除去され、シャフトの材料特性に有害な変化が生じていないことを確認するために硬度試験が実施されます。最終検査に合格した場合のみ、シャフトを再組み立てして使用することができます。

遠心ポンプのシャフトの矯正は、高度な技術と特殊なメンテナンス作業です。実際には、最初に正確な測定によって曲げの程度と位置を決定する必要があります。シャフトの材質、径、長さ、しなり量、亀裂の状態などを総合的に判断してください。技術プロセスは「最初に非破壊検査、次に矯正、そして最後に合格」に従う必要があり、冷間または熱間矯正方法のいずれかを適切に選択する必要があります。-使用する方法に関係なく、動作パラメータを厳密に管理し、まっすぐにしたポンプ シャフトが元の性能を回復し、遠心ポンプの長期にわたる安全で安定した動作を保証するために品質検査を実行する必要があります。-