影響離心泵安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素分析——本文分別從偏工況運(yùn)行、葉輪與蝸殼的匹配關(guān)系、轉(zhuǎn)子平衡、軸系結(jié)構(gòu)和機(jī)座基礎(chǔ)強(qiáng)度等方面入手，對(duì)離心泵振動(dòng)超標(biāo)的原因進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的防治措施。
泵作為一種重要的能量轉(zhuǎn)換裝置和流體輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空航天、核電站、城市供水、石油化工和船舶等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在一些重要場(chǎng)合，泵機(jī)組出現(xiàn)故障后，會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。由泵振動(dòng)超標(biāo)引發(fā)的故障在其中占了很大的比重，已成為影響離心泵安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。
1.振動(dòng)級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
在實(shí)際工程應(yīng)用中，離心泵振動(dòng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)主要采用GB/T29531。近年來，隨著API610的適用性擴(kuò)大，各化工設(shè)計(jì)院多采用此標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)離心泵振動(dòng)的要求來考核供應(yīng)商，其具體要求如表1所示。
表1離心泵常用振動(dòng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)
2.離心泵產(chǎn)生振動(dòng)的原因
泵偏離工況點(diǎn)運(yùn)行
泵運(yùn)行工況點(diǎn)是由泵特性曲線H-Q和裝置特性曲線HZ-Q共同決定的。兩條的交點(diǎn)M即是泵的運(yùn)行工況點(diǎn)，如圖1所示。
圖1離心泵運(yùn)行工況點(diǎn)示意圖
1.大流量工況下對(duì)泵振動(dòng)的影響
在裝置特性曲線HZ-Q不變的情況下，泵的運(yùn)行工況點(diǎn)在M點(diǎn)，流量為QM，揚(yáng)程為HM。當(dāng)期望揚(yáng)程增加到HA時(shí)，泵的特性曲線上移成H1-Q1時(shí)，工況點(diǎn)也從M點(diǎn)變成B點(diǎn)，此時(shí)工況點(diǎn)流量變成QB，揚(yáng)程變成HB，此時(shí)流量和揚(yáng)程分別增加了ΔQ1和ΔH1。泵的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)偏移到大流量點(diǎn)，泵內(nèi)流速增加，流阻損失也隨之增加，造成泵體內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定，容易引起進(jìn)口管路中的壓力脈動(dòng)，引發(fā)振動(dòng)。此外，還可能發(fā)生電機(jī)超載，導(dǎo)致泵壽命縮短。
2.小流量工況下對(duì)泵振動(dòng)的影響
當(dāng)揚(yáng)程降低到HC時(shí)，泵的特性曲線降為H2-Q2時(shí)，工況點(diǎn)也從M點(diǎn)變成D點(diǎn)，此時(shí)工況點(diǎn)流量變成QD，揚(yáng)程變成HD，此時(shí)流量和揚(yáng)程分別減小了ΔQ2和ΔH2。長時(shí)間在小流量點(diǎn)運(yùn)行，流速降低，介質(zhì)在進(jìn)口管路和葉輪進(jìn)口處產(chǎn)生回流和預(yù)旋，導(dǎo)致泵的出口壓力出現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為喘振，會(huì)導(dǎo)致泵的振動(dòng)明顯增大。
葉片與蝸殼間隙對(duì)泵振動(dòng)的影響
葉輪葉片與蝸殼之間的徑向間隙值過小也可能是引起振動(dòng)超標(biāo)的主要原因之一。國外將這種 現(xiàn)象稱為“葉片流道綜合征(Vane passing syndrome)”。當(dāng)介質(zhì)流過該小通道時(shí)，液體的流速升高，液體壓力下降，當(dāng)液體壓力降低至汽化壓力以下時(shí)，液體發(fā)生局部汽化，產(chǎn)生氣泡，氣泡在高壓下破裂，導(dǎo)致喉部發(fā)生汽蝕，引起泵的振動(dòng)。
轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)
當(dāng)泵機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子總是圍繞自己重心所在的軸線旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子重心和回轉(zhuǎn)中心不重合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生偏心質(zhì)量。在高速旋轉(zhuǎn)的過程中，即使是很小的質(zhì)量偏心，也會(huì)產(chǎn)生很大的偏心力，該偏心力作用于支撐軸承上，誘發(fā)軸承部位的振動(dòng)。此外，轉(zhuǎn)子不平衡還會(huì)造成口環(huán)間磨損加劇，使得口環(huán)間隙增大，葉輪出口處的高壓液體經(jīng)過間隙，回流到泵進(jìn)口的低壓區(qū)，造成葉輪進(jìn)口處介質(zhì)流態(tài)穩(wěn)定性變差，引起振動(dòng)。
泵軸的剛性不足引起的振動(dòng)
泵軸的作用是傳遞動(dòng)力，支撐并帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。泵軸的剛性不足，會(huì)導(dǎo)致其臨界轉(zhuǎn)速降低， 當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速數(shù)值等于轉(zhuǎn)子固有頻率的轉(zhuǎn)速時(shí)，在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生共振，并且軸的彎曲度明顯增大，致使轉(zhuǎn)子重心與回轉(zhuǎn)中心不重合，引發(fā)振動(dòng)。
軸承原因引發(fā)的振動(dòng)
軸承是機(jī)泵設(shè)備的重要部件，在設(shè)備運(yùn)行過程中一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，起著連接固定件與轉(zhuǎn) 動(dòng)件的作用。軸承潤滑油選型不當(dāng)、變質(zhì)、雜質(zhì)含量超標(biāo)及潤滑管路不暢導(dǎo)致的潤滑故障，會(huì)造成軸承工況惡化，引起振動(dòng)；軸承安裝或冷卻方式不當(dāng)，會(huì)影響軸承游隙，誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)。
機(jī)座基礎(chǔ)強(qiáng)度不足引起的振動(dòng)
在化工流程泵中，連接管路一般都是鋼制管路，其產(chǎn)生的應(yīng)力都會(huì)作用在泵的基礎(chǔ)上，如果 機(jī)座的基礎(chǔ)強(qiáng)度不夠，當(dāng)支撐基礎(chǔ)的固有頻率接近機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生基礎(chǔ)共振，引起泵機(jī)組振動(dòng)。此外，通常情況下泵座與底板之間采用螺栓連接，螺栓的強(qiáng)度不夠或者螺栓松動(dòng)，也會(huì)引起振動(dòng)。
機(jī)組同軸度不良產(chǎn)生振動(dòng)
電機(jī)通過聯(lián)軸器將動(dòng)力傳入泵轉(zhuǎn)子部件上帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。在裝配過程中對(duì)電機(jī)和泵的同軸度有 嚴(yán)格的精度要求，軸與電機(jī)聯(lián)軸器安裝止口配合間隙過大，導(dǎo)致電機(jī)軸與泵軸不對(duì)中，會(huì)破壞聯(lián)軸器工作的平衡狀態(tài)，引起機(jī)組振動(dòng)。
3.防治措施
1.API610中規(guī)定，最佳效率點(diǎn)流量的70%~120%為泵的允許工作區(qū)，在泵選型過程中，嚴(yán)格參照泵的性能曲線進(jìn)行選型，使泵的工況點(diǎn)盡量處于最優(yōu)工況區(qū)，避免選型不當(dāng)造成泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因長時(shí)間偏工況運(yùn)行引起的振動(dòng)；當(dāng)用戶現(xiàn)場(chǎng)的工況發(fā)生改變時(shí)，通過切割葉輪外徑（圖2）改變泵特性曲線，在泵的出口管路安裝調(diào)節(jié)閥（圖3）改變裝置特性曲線等方法，調(diào)節(jié)泵的工況點(diǎn)。
圖2改變?nèi)~輪外徑
圖3調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)
2.泵體蝸室多為螺旋形壓出室，隔舌與葉輪出口的徑向間隙是影響振動(dòng)特征的一個(gè)重要參數(shù)。葉輪與隔舌間隙δ的計(jì)算公式如下：
其中D'2—切割后葉輪直徑mm；
D3—壓水室基圓直徑mm。
隨著徑向間隙的增加，泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值先急劇下降，至脈動(dòng)幅值的4%后緩慢降低。但是由于間隙過大會(huì)使泵效率下降，因此需要通過計(jì)算分析，尋找一個(gè)較優(yōu)的間隙值區(qū)間，在泵的效率損失不大的條件下，保證壓力脈動(dòng)幅值的降低，減小振動(dòng)。
3.為防止因泵軸彎曲造成的轉(zhuǎn)子不平衡，在機(jī)組長時(shí)間停機(jī)運(yùn)行的情況下定期盤車檢查，每次將軸沿同一方向旋轉(zhuǎn)120?；此外由于葉輪的鑄造、加工制造等誤差，也會(huì)造成轉(zhuǎn)子不平衡量增大，為防止葉輪不平衡量過大產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)泵的轉(zhuǎn)子部件按GB/T9239.1 G2.5級(jí)做動(dòng)平衡試驗(yàn)，通過切削葉輪的前后蓋板達(dá)到平衡葉輪的目的，切削量不得超過蓋板厚度的1/3。
4.轉(zhuǎn)子剛性對(duì)于防治振動(dòng)和提高泵的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性非常重要，其中很重要的一點(diǎn)是提高軸的剛 性。為此，西安泵閥總廠有限公司專門申請(qǐng)了一項(xiàng)專利—提高懸臂式離心泵轉(zhuǎn)子剛性的結(jié)構(gòu)（如圖4）。通過該專利的實(shí)施，軸的剛性至少可以提高20%以上。同時(shí)也解決了傳統(tǒng)懸臂式離心泵由于軸系剛性差導(dǎo)致的軸封壽命短，甚至出現(xiàn)共振現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成破壞性事故的問題。
圖4懸臂式離心泵轉(zhuǎn)子剛性的結(jié)構(gòu)
如圖4所示，API610 2010版的資料性附錄K中軸系的對(duì)撓性指數(shù)ISF用公式(2)定義為
5.定期檢查軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況是否良好，及時(shí)更換有損傷的軸承；合理的選擇潤滑劑和潤滑方法，定期更換潤滑劑改善軸承密封裝置，避免因潤滑不當(dāng)造成軸承損壞，進(jìn)而引發(fā)振動(dòng)；軸承的冷卻應(yīng)該采用冷卻油池而不是冷卻軸承外環(huán)，冷卻軸承外環(huán)會(huì)減小軸承的內(nèi)間隙，導(dǎo)致軸承故障。
6.采用聯(lián)合焊接底座的形式（如圖5）以提高底座的強(qiáng)度，底座的結(jié)構(gòu)尺寸滿足API610附錄D中標(biāo)準(zhǔn)底座的尺寸。與API標(biāo)準(zhǔn)底座相比，機(jī)座基礎(chǔ)由原來的泵座、底座分離式結(jié)構(gòu)優(yōu)化成整體式結(jié)構(gòu)，避免因連接螺栓強(qiáng)度不足導(dǎo)致的振動(dòng)。
圖5聯(lián)合焊接底座的形式
7.調(diào)整機(jī)組的同軸度，用千分尺測(cè)量聯(lián)軸器的軸向和徑向跳動(dòng)。軸向最大允差控制在0.05mm的范圍內(nèi)，徑向最大允差控制在0.1mm的范圍內(nèi)。此外，聯(lián)軸器端面之間應(yīng)留有所要求的間隙以保證兩軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中做限定的軸向移動(dòng)。
4.結(jié)束語
綜上所述，造成泵振動(dòng)的原因是多方面的，它與設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)以及安裝工藝等都有很大的關(guān)系。在很多情況下，其實(shí)可以通過提高對(duì)水力的設(shè)計(jì)、加工和安裝質(zhì)量，將機(jī)組振動(dòng)控制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)，保證裝置長期安全的運(yùn)行。
來源：本文刊登于PROCESS《流程工業(yè)》2021年第1期《淺析離心泵振動(dòng)的原因及防治措施》；文/ 程蕾 王輝 劉航泊，本文作者供職于西安泵閥總廠有限公司。
