多段渦巻ポンプの軸折損の主な原因、診断方法、予防策について。

ポンプ シャフトは、多段遠心ポンプの重要な部品です。ドライバーからインペラに動力を伝達し、回転アセンブリの位置合わせを維持します。シャフトが破損するとポンプが即停止する可能性があり、インペラ、ベアリング、シール、カップリングなどの内部部品に二次被害が及ぶ可能性があります。

破損したシャフトを交換すると、一時的に装置が回復する可能性がありますが、根本的な問題が解決するとは限りません。過剰な負荷、ミスアライメント、振動、または動作上の問題が残ると、交換したシャフトが再び故障する可能性があります。

多段ポンプシャフト故障の一般的な原因を理解し、故障によって残された証拠を特定し、適切な予防措置を実施することは、信頼性の高い運転のために不可欠です。

 

 

1. 多段ポンプシャフトの故障の一般的な原因

1.1 過剰なアキシアル推力

多段遠心ポンプは、複数のインペラを使用して高揚程を生成します。油圧設計によっては、インペラが軸方向の推力を生成する場合がありますが、これは適切なバランス配置と推力軸受システムによって管理する必要があります。

軸方向のスラストが設計限界を超えると、その結果生じる負荷によりスラストベアリングやその他の回転部品が損傷する可能性があります。重篤な場合や長期にわたる場合には、異常な軸方向の動きとそれに関連する機械的応力がシャフトの故障につながる可能性があります。

考えられる原因は次のとおりです。

バランスディスク、バランスドラム、またはその他の推力バランス調整コンポーネントが取り付けられている場合、それらの摩耗または損傷。

バランス通路を使用するデザインでバランス通路がブロックまたは制限されている。

不適切なクリアランスまたはバランス調整コンポーネントの不適切な組み立て。

ポンプの意図された動作範囲外での動作。

バランス調整はポンプの設計によって異なります。多段ポンプには、バランス ディスクまたはバランス ドラムを使用するものもありますが、異なる油圧配置を使用するものもあります。検査とメンテナンスは、特定のポンプモデルの要件に従う必要があります。

1.2 ポンプとドライバの位置ずれについて

ポンプ シャフトとモーターまたはエンジン シャフト間の位置合わせが悪いと、カップリング、ベアリング、および回転アセンブリに追加の負荷がかかる可能性があります。

位置ずれは、不正確な取り付け、基礎の動き、熱膨張、取り付けボルトの緩み、またはポンプ ケーシングに作用するパイプの歪みによって発生する可能性があります。

典型的な警告サインには次のようなものがあります。

動作中に異常な振動が発生する。

ベアリング温度の上昇。

カップリングの異常な摩耗。

繰り返されるシールの漏れまたはベアリングの早期故障。

比較的長い回転アセンブリを備えた多段ポンプの場合、位置合わせとローターのサポートが特に重要です。アライメントはメーカーの公差と照らし合わせてチェックし、必要に応じて熱膨張を考慮する必要があります。

1.3 キャビテーションと不十分な吸引条件

キャビテーションは、局所的な液体の圧力が液体の蒸気圧を下回ったときに発生し、蒸気の泡が生成され、その後圧力が上昇すると崩壊します。

キャビテーションは、インペラ表面の損傷、油圧の不安定性、騒音、振動の増大を引き起こす可能性があります。不安定な吸引条件下での過酷な運転や長時間の運転は、機械的損傷や疲労を引き起こす可能性がありますが、キャビテーションだけが自動的にシャフトの破損を意味するわけではありません。

一般的な要因には次のようなものがあります。

吸引ストレーナの詰まり、または過剰な吸引ライン抵抗。

利用可能な正味正味吸引ヘッド (NPSHa) が不十分です。

液温が高い、または吸引圧力が不利です。

設置が間違っているか、動作点が不適切です。

これが可能なアプリケーションでは、吸引ラインに空気が入ります。

吸引状態を確認し、キャビテーションによる損傷をチェックすることは、油圧の問題と純粋な機械的な故障を区別するのに役立ちます。

1.4 過度の振動とローターのアンバランス

多段ポンプ ローターは、シャフト、インペラ、スリーブ、その他のモデルに依存する部品などのコンポーネントで構成されます。不均一な摩耗、堆積物、コンポーネントの損傷、または不適切な組み立てにより、不均衡が生じる可能性があります。

ローターが回転すると、不均衡により周期的な力が発生します。振動が続く場合、特に幾何学的応力集中において、周期的な応力が疲労亀裂の発生と伝播に寄与する可能性があります。

考えられる原因は次のとおりです。

インペラが損傷、摩耗、または不均一に汚れている。

シャフトの曲がりまたはローターの組み立てが間違っています。

ベアリングが磨耗しているか、ベアリングのクリアランスが過剰です。

基礎ボルトが緩んでいるか、構造上のサポートが不十分です。

好ましくない速度または振動条件付近での動作。

振動は、単独の症状として扱うのではなく、動作条件、ベアリング温度、最近のメンテナンス履歴と併せて評価する必要があります。

1.5 シャフトの材質、製造、または表面の欠陥

シャフトの故障は、材料または製造プロセスの欠陥が原因で発生することもあります。

例としては、材料の不連続性、不適切な熱処理、機械加工による損傷、表面欠陥、局所的な応力集中などが挙げられます。キー溝、ショルダー、直径遷移、ねじ山などの形状は、局所的な応力を増大させる可能性があるため、特に注意が必要な場合があります。

材料の適合性は、汲み上げられる液体、温度、機械的負荷、および動作環境によっても異なります。

したがって、破損したシャフトは、保守に関連した損傷と、考えられる製造上または材料上の問題の両方を検査する必要があります。破壊のメカニズムが不明な場合は、特定の原因を特定する前に冶金学的検査が必要になる場合があります。

1.6 誤った操作と不適切なメンテナンス

操作方法により摩耗が促進され、機械的負荷が増加する可能性があります。頻繁な起動と停止、推奨範囲外での長時間の運転、不十分な潤滑、異常な振動への対応の遅れなどは、二次被害のリスクを高める可能性があります。

シャフトの故障が繰り返される場合は、ポンプの動作履歴、メンテナンス記録、実際の使用状況の見直しを促す必要があります。これらの要因に対処せずに単に交換コンポーネントをインストールすると、再度シャットダウンが発生する可能性があります。

 

2. ポンプシャフトの破損の診断方法

信頼性の高い診断は、破損検査、コンポーネントのチェック、動作データ、メンテナンス履歴を組み合わせたものです。単一の視覚的兆候だけでは、すべてのシャフトの故障の原因を決定的に特定することはできません。

検査の前に、ポンプとドライバーを隔離し、現場の手順に従ってエネルギー源を切断するかその他の方法で固定し、機器が予期せず起動しないことを確認してください。分解する前に、該当する安全要件に従ってください。

ステップ 1: 破面を検査する

破断面は、シャフトがどのように破損したかについての手がかりを提供する可能性があります。

考えられる故障モード	潜在的な証拠	何を調べるか
疲労破壊	進行性の亀裂成長の特徴または最終的な破壊が発生した明確な領域	繰り返しの曲げ、アキシアル荷重、振動、応力集中
突然の過負荷	急速な過負荷イベントと一致する破壊特徴	ローターの焼き付き、過大トルク、負荷急変、機械的詰まり
腐食助長破壊または腐食疲労破壊	腐食、孔食、または局所的な表面劣化	流体の適合性、腐食状態、保護対策、および周期的荷重
材料または製造上の欠陥	含有物、不連続性、またはその他の材料異常の可能性	材料認証、製造記録、ラボ検査

これらは予備的な指標であり、最終的な診断ではありません。破壊の様子は、材質、荷重条件、破損のメカニズムによって異なります。骨折部の洗浄や取り扱いを誤ると、有用な証拠が失われる可能性もあります。

ステップ 2: 回転アセンブリを検査する

最初の破損検査の後、関連するコンポーネントに二次的な損傷がないか検査します。

ポンプの設計に応じて、次のようなチェックが行われる場合があります。

シャフトの真直度、寸法、表面状態。

インペラの状態、フィット感、不均一な摩耗の兆候。

ベアリングの状態、クリアランス、潤滑。

結合状態とアライメントの記録。

バランスディスク、バランスドラム、バランス通路、またはその他の推力管理コンポーネントが取り付けられている場合。

故障時に接触または損傷した可能性のあるスリーブ、シール、およびその他の部品。

測定値はメーカーの仕様と比較する必要があります。損傷した部品や寸法が不適切な部品を再利用すると、交換用アセンブリに追加の負荷がかかる可能性があります。

ステップ 3: 運用およびメンテナンスの記録を確認する

調査では、障害が発生する前に何が起こったのかも明らかにする必要があります。

有用な情報には、動作流量と揚程、吸込圧力と吐出圧力、振動傾向、軸受温度、起動/停止頻度、最近のメンテナンス、プロセス システムへの変更などが含まれます。

たとえば、振動が数週間にわたって徐々に増加した場合、調査は機械的損傷の発生や油圧条件の変化に焦点を当てることがあります。ローターの詰まりに続いてポンプが突然停止した場合は、過負荷に関連したイベントを詳しく調べる必要がある可能性があります。

目標は、破面のみに基づく仮定に頼るのではなく、裏付けられた根本原因を特定することです。

 

3. シャフト破損を防ぐための実際的な対策

正しいシャフトとカップリングのアライメントを維持する

設置中およびその後の大規模なメンテナンス中に位置合わせを確認します。必要に応じて熱の動きを考慮し、位置がずれている吸入パイプや吐出パイプを無理に所定の位置に押し込まないようにしてください。

基礎、取り付けボルト、カップリング、パイプサポートをチェックして、過度の外部荷重がかからないようにしてください。

軸推力管理コンポーネントの検査

ポンプ固有のバランス調整のメンテナンス スケジュールに従ってください。該当するコンポーネントのクリアランス、摩耗面、バランス通路、およびスラストベアリングを確認してください。

原因を特定せずに損傷した部品を繰り返し交換するのではなく、軸方向の異常な動きや再発するスラストベアリングの損傷を調査してください。

適切な吸引条件を維持する

吸入通路とストレーナを清潔に保ち、バルブの位置を確認し、使用可能な NPSH が動作条件に十分であるかどうかを確認してください。

キャビテーション、空気の侵入、不安定な流れの兆候を監視します。プロセス条件が変化した場合は、ポンプが必要な負荷に適した状態を維持しているかどうかを再評価してください。

振動とベアリングの状態を監視

実用的な場合は通常の動作読み取り値を確立し、経時的な変化を追跡します。振動の増加、異常な騒音、ベアリング温度の上昇、または繰り返されるシールの漏れを調査します。

振動モニタリングは、重大な二次被害を引き起こす前に、発生中の故障を特定するのに役立ちます。適切な制限と測定場所は、機器の要件と適用される規格に基づく必要があります。

推奨範囲内で使用してください

実際の動作条件をメーカーのポンプ曲線および推奨動作と比較してください。不適切な流量や負荷での長時間の運転は避けてください。

適切な始動および停止手順を使用し、適切な潤滑を維持し、繰り返しのトリップや動作条件の突然の変化を調査してください。

適切な交換部品を使用し、点検記録を保管してください

交換用シャフトおよび関連コンポーネントは、必要な寸法、材料仕様、およびポンプ構成と一致する必要があります。

シャフトの測定値、バランス部品のクリアランス、ベアリングの状態、アライメントの結果、振動の測定値、およびすべての主要な故障調査の結果を記録します。これらの記録は、再発する問題を検出し、より多くの情報に基づいたメンテナンスの決定をサポートするのに役立ちます。

 

4. ポンプの設計と製造の品質が重要な理由

シャフトの破損を防ぐには、強度の高いシャフト材料を選択するだけでは不十分です。信頼性の高い性能は、油圧設計、ローターの形状、構成部品の材料、製造精度、組み立て品質、および動作条件の間の相互作用によって決まります。

多段遠心ポンプの場合、シャフトおよび関連する回転コンポーネントは、目的の流量、揚程、速度、流体特性、およびデューティ サイクルに適している必要があります。バランス調整およびベアリング システムも特定の設計に適している必要があります。

 

多段ポンプ シャフトの故障は、過剰な軸推力、位置ずれ、キャビテーション関連の不安定性、持続的な振動、材料の欠陥、または不適切な操作とメンテナンスによって発生する可能性があります。多くの場合、最終的な失敗には複数の要因が関与しています。

最も効果的な対応は、交換用シャフトを取り付ける前に、破損箇所を検査し、関連するコンポーネントを検査し、動作記録を確認し、根本的な原因を特定することです。

一貫したアライメントチェック、振動モニタリング、適切な吸引条件、推力管理コンポーネントのメンテナンス、推奨範囲内での操作により、信頼性が大幅に向上し、シャフト故障が繰り返されるリスクを軽減できます。