離心泵性能測試中振動超標分析及解決方案

王 勤 華鎖寶 楊玲玲 劉志軍

(1.合肥通用機械研究院；2.蘇州蘇爾壽泵業(yè)有限公司)

離心泵因其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、效率高、流量大、容易操作和維修，目前廣泛應用于石油化工行業(yè)。振動是考核離心泵性能的重要參數(shù)之一，如果其超標將會降低設備的使用壽命，造成轉(zhuǎn)子、靜止件以及軸承等零部件的損壞，使機組不能正常運行。同時，易引發(fā)電機和管路的振動，形成噪聲，引發(fā)軸封失效，造成泄漏，從而造成物料損失或環(huán)境污染等。因此在離心泵制造完成進行出廠測試時必須保證其振動100%合格。筆者基于多年離心泵性能測試方面的經(jīng)驗，對性能測試中常見的振動超標問題進行討論。

1 離心泵振動檢驗標準及方法

目前，離心泵的振動檢驗標準通常按照API 610-2004[1]和JB/T 8097-1999[2]執(zhí)行。前者根據(jù)泵的轉(zhuǎn)速和效率進行判定，對離心泵的優(yōu)先工作區(qū)和允許工作區(qū)內(nèi)的振動值進行了確定；后者根據(jù)轉(zhuǎn)速與中心高對離心泵分類，然后根據(jù)A、B、C、D振動烈度進行判定。

現(xiàn)場性能測試過程中通常對驅(qū)動端和非驅(qū)動端分別設點測量取值，其中驅(qū)動端對其水平方向、豎直方向分別測量；非驅(qū)動端對其水平方向、豎直方向及軸向分別測量。根據(jù)測試現(xiàn)場的條件，又分為儀器手動測量和傳感器傳輸兩種。

2 離心泵振動超標問題排查分析

現(xiàn)場實測振動超標時，通常根據(jù)整改的難易程度依次尋找存在的問題，具體順序為離心泵操作的問題→安裝問題→裝配和零部件的問題→結(jié)構(gòu)設計的問題。

2.1 操作問題

有關操作問題的檢查要點有：

a. 檢查潤滑油的情況，潤滑油選型不當、變質(zhì)、雜質(zhì)含量超標和潤滑管道不暢而導致的潤滑故障，都會造成軸承工況惡化，引發(fā)振動。對于水潤滑的滑動軸承，啟動過程中應加足預潤滑水，避免干啟動，直至水泵出水后再停止注水。油潤滑的需定期向需要注油的軸承適量注油。

b. 檢查離心泵是否長期處于低負荷運行(即長期處于汽蝕條件下工作)，這種偏離設計最佳操作的工況會造成喘振，給葉輪帶來嚴重破壞，從而造成振動超標。

c. 性能測試所用流體中含有雜質(zhì)，導致泵體的葉輪流道內(nèi)有雜質(zhì)，從而造成振動超標。

2.2 安裝問題

在核對完操作問題無誤后，如果仍存在振動超標，則需對泵的安裝問題進行檢查：

a. 檢查泵的基礎，因測試臺與安裝現(xiàn)場不同，不存在地腳螺栓的灌漿等工序，為直接螺栓固定在基座上，因此首先檢查基座與地面的水平度、剛度及螺栓是否存在松動。

b. 泵找正不對中。

c. 泵的出口管道支架剛度不夠，變形太大，造成管道下壓在泵體上，使得泵體和電機的對中性破壞；管道在安裝過程中應力太大，進出口管路與泵連接時內(nèi)應力大；進、出口管線松動，約束剛度下降甚至失效；出口流道部分全部斷裂，碎片卡住葉輪；管路不暢，如出水口有氣囊；出水閥門掉板，或沒有開啟；進水口有進氣，流場不均，壓力波動。這些原因都會直接或者間接導致泵和管路的振動。

d. 電機軸和泵軸同心度超差；電機和傳動軸的連接處使用了聯(lián)軸器，聯(lián)軸器同心度超差。

2.3 裝配和零部件的問題

如果操作得當，且安裝不存在問題，則需對泵進行拆解，檢查泵在制造和裝配過程中是否存在不符合工藝、設計要求的環(huán)節(jié)：

a. 拆解泵體，首先檢查是否存在部件損壞。

b. 核對聯(lián)軸節(jié)與泵軸、葉輪孔與軸的配合間隙、葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)配合間隙等各間隙是否存在超出工藝要求。

c. 檢查軸的直線度。

d. 檢查葉輪靜平衡是否超標。

e. 檢查轉(zhuǎn)子動平衡是否超標。

f. 檢查是否存在共振現(xiàn)象。

2.4 結(jié)構(gòu)設計的問題

如果離心泵的操作、安裝及裝配和零部件均核對不存在問題，但泵仍存在振動超標，則需考慮是否存在設計問題：

a. 泵的選型是否存在問題。

b. 配管系統(tǒng)設計是否合理，設計時未考慮到熱力管在升溫后對機泵軸中心推移的嚴重影響；泵出入口管線在安裝和焊接過程中總是有一定的軸向或徑向應力。

c. 水力設計的相關問題。

以上4點為常見的造成離心泵振動超標的原因，可能單一作用導致振動超標，但更多的時候是多重因素共同影響的。

3 離心泵振動超標問題實例分析

某項目采購的離心泵，水平中開式，首級雙吸葉輪，次級葉輪葉片數(shù)包含5級和7級，輸送介質(zhì)為貧甲醇，設計轉(zhuǎn)速為2 960r/min，額定流量526m3/h，額定揚程951.7m，額定軸功率1 253kW，額定效率82%，氣蝕要求6.4m。

根據(jù)JB/T8097-1999按泵的中心高和轉(zhuǎn)速，查表得此離心泵屬于第三級。根據(jù)JB/T8097中表3泵的振動級別分為A、B、C、D，其中A、B、C級為合格，D級為不合格，查表得最終振動烈度需不超過7.1mm/s。根據(jù)API 610按泵的轉(zhuǎn)速和功率進行劃分，查表得該泵在優(yōu)先工作區(qū)各個方向的振動值需不超過3.0mm/s，超出優(yōu)先工作區(qū)外的允許工作區(qū)各方向振動值可上浮30%，即不超過3.9mm/s。

在進行水力性能測試時發(fā)現(xiàn)其中存在振動超標，非驅(qū)動端軸承箱體處豎直方向的振動值在8.3mm/s左右，在驅(qū)動端軸承箱體處豎直方向的振動值在5.0mm/s 左右，其振動尖峰的頻率在350Hz 左右，其余方向振動值均小于1.0mm/s，其振動頻譜如圖1、2所示。

圖1 非驅(qū)動端軸承箱體處豎直方向振動頻譜

圖2 驅(qū)動端軸承箱體處豎直方向振動頻譜

制造廠對振動超標產(chǎn)生的原因進行分析研究，首先檢查操作是否得當及是否存在螺栓松動等安裝問題，檢查核實無誤后進行測試，仍存在振動超標問題。因振動主要超標問題存在于軸承箱豎直方向，首先考慮軸承箱體是否存在共振現(xiàn)象，檢測軸承箱體的固有頻率，其固有頻率在200Hz 左右，排除了軸承箱體共振的可能性。而后制造廠決定拆泵檢查泵內(nèi)部是否有問題，首先進行了軸承箱體的拆檢和轉(zhuǎn)子動平衡的檢測，發(fā)現(xiàn)了驅(qū)動端的軸瓦燒毀，同時轉(zhuǎn)子動平衡也超差。制造廠更換了新的驅(qū)動端軸瓦，重新做了轉(zhuǎn)子動平衡。

設計人員初步分析此種振動超標為聲共振造成的，即聲波在水里的波長和泵內(nèi)一段過渡流道長度接近引起的。而且這種振動是隨泵輸送介質(zhì)密度的改變而變化的，因此以水為介質(zhì)測試時有振動，到用戶現(xiàn)場介質(zhì)密度改變，聲波的速度和波長就相應改變了，振動就不一定存在。

葉片通過隔舌時的振動是產(chǎn)生脈動的根源，壓力脈動沿著長過渡段前行，傳播波至下游葉輪處反射回來，互相之間形成共振。泵內(nèi)長過渡段的長度和聲波在試驗介質(zhì)中的傳播速度決定了泵的聲共振情況。

為降低水力振動對聲共振的激發(fā)，在保證泵性能不變的前提下，制造廠減小了第三級葉輪的直徑，同時對泵體的第三級和第四級的隔舌處進行了消除水力激振的打磨，即打磨出倒角，如圖3所示。

圖3 隔舌處倒角

做完以上工作后對泵又重新進行了組裝和試驗，振動有了降低但仍有些超標，非驅(qū)動端軸承箱體處豎直方向的振動數(shù)值為6.2mm/s左右，其他方向振動均小于3.0mm/s，振動頻譜如圖4所示。

圖4 非驅(qū)動端軸承箱體處豎直方向振動頻譜

經(jīng)過整改，目前該臺離心泵振動指標已符合JB/T 8097-1999 《泵的振動測量和評價方法》的要求，但根據(jù)API 610要求，該泵的各個方向的振動值需控制在3.0mm/s內(nèi)。因此需要進一步降低葉輪和泵體過渡流道間的水力激振，葉輪和泵體之間的流道是能量轉(zhuǎn)換集中的區(qū)域，也是易發(fā)生水力沖擊和激振的地方，而打磨葉輪葉片出口工作面和葉輪出口蓋板倒角是最有效的手段，整改后的葉輪如圖5所示。同時對底座進行加強處理，在底座的下面焊接了一些加強筋。然后再重新做轉(zhuǎn)子動平衡和泵的裝配和測試，最終試驗所有在API 標準測點位置的振動值都小于3.0mm/s。

圖5 葉輪的打磨和蓋板倒角車削

4 結(jié)束語

因離心泵的流道長度和介質(zhì)密度引起的聲共振，由于工廠測試所用介質(zhì)與現(xiàn)場實際輸送介質(zhì)的不同，因此存在不確定性。這就要求設計人員在設計初期需對其流道長度與現(xiàn)場輸送介質(zhì)密度等因素進行綜合考慮。引起離心泵振動超標的原因是多重的，彼此之間相互影響，原因復雜多樣，需要不斷的分析改進，確保在工廠水力測試時振動完全合格。同時在現(xiàn)場使用過程中，操作人員要對離心泵在運行過程中進行實時監(jiān)測，做好定期的巡檢，檢查離心泵的螺栓緊固程度，離心泵運轉(zhuǎn)過程中聲音是否存在異常，一旦發(fā)生異常，要分析產(chǎn)生原因，檢查各零部件的是否存在損壞，在產(chǎn)生嚴重后果前將問題解決。

[1] API 610-2004，石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵[S].紐約：美國石油學會，2004.

[2] JB/T 8097-1999，泵的振動測量和評價方法[S].北京：機械工業(yè)出版社，1999.