甲醇泵異常振動分析及處理

摘 要：甲醇泵是某單位低溫甲醇洗單元的核心設備。在項目試車過程中，發現甲醇泵振動高，針對甲醇泵振動異常故障，使用離線設備通過狀態監測分析原因，確定故障因素，并進行處理，為裝置長周期安全運行提供了保障。

關鍵詞：甲醇泵；狀態監測；故障診斷；振動

中圖分類號：TH311" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）09-0063-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.015

0" " 引言

甲醇泵是某公司低溫甲醇洗裝置的核心設備，其主要作用是給低溫甲醇洗裝置提供適當的甲醇循環流量和壓力，通過甲醇來吸收原料氣組分中的CO2、H2S等介質，從而保證低溫甲醇洗裝置產品氣體指標滿足專利商設計要求。

該泵由國內某公司制造，型號為HDD800-140，屬API 610規定的BB2標準泵型，其額定流量774.8 m3/h，額定揚程155 m，額定轉速1 480 r/min，配套電機功率450 kW。該泵工作狀態下入口壓力0.167 MPa（G），入口溫度33.72 ℃，出口壓力1.34 MPa（G）。

在項目建設過程中，現場安裝完畢后單體試車時發現該泵振動超標，其中非驅動端垂直方向振動值高達7.03 mm/s，軸承箱其余各點測試數據如表1所示。

根據某公司機泵運行管理規定，該泵允許長期運行的振動限值為不高于2.8 mm/s。因此，根據現場測試情況，該泵的振動值遠遠超過振動限值，需進行原因分析及治理。

1" " 振動原因分析

現場測試發現泵的非驅動端軸承箱振動超標后，立即組織泵的制造商、設計單位、工程總承包及分包單位、項目監理等各方人員進行分析。通過調閱泵的出廠性能測試報告，發現該泵在出廠測試時各點的振動數值普遍不高，均在2.8 mm/s以下，出廠試驗滿足API 610規定的小于3.0 mm/s的要求。項目設計單位從該泵的管道設計、流體設計、支架設計等多個角度對泵的進、出口管路系統進行全面復核，排除了設計方面的問題。工程總承包及分包單位、項目監理分別從泵安裝過程中的水平驗收、灌漿、無應力檢查、對中檢查等各方面再次進行了檢查，排除了設備安裝過程中可能出現的問題。

根據泵的試驗情況及各方意見，由于該泵驅動端振動值滿足要求，暫定先對泵的非驅動端軸承箱進行檢查，以期排除機械方面的問題。經過檢查，泵的軸承完好，各配合間隙滿足裝配要求。為進一步分析非驅動端軸承箱垂直方向振動高的原因，使用離線振動分析儀對甲醇泵振動情況進行了頻譜分析。

非驅動端軸承箱垂直方向頻譜如圖1所示。

可以看到，頻譜上主要的峰值為6倍頻（6X）和12倍頻（12X），即1倍和2倍的葉片通過頻率1VP和2VP。同時也能發現7倍頻（7X），7倍頻（7X）因葉片通過頻率產生。

由于甲醇泵驅動端及非驅動端各測點的振動值差異較大，尤其是在非驅動端垂直方向表現最為明顯，故進一步對軸承箱進行了敲擊測試。

非驅動端軸承箱垂直方向敲擊測試結果如圖2所示。

通過測試結果可以看到，非驅動端軸承箱垂直方向存在121、146～156、270、317～327、370 Hz固有頻率，如表2所示。

通過頻譜分析及敲擊測試分析可知，頻譜上主要的峰值存在于6倍頻（約150 Hz）、12倍頻（300 Hz）、7倍頻（175 Hz）。敲擊測試分析顯示，非驅動端軸承箱垂直方向存在146～156 Hz的固有頻率，該頻率與泵的葉片通過頻率發生了重合，在泵的運行過程中，軸承箱在葉片通過頻率的激勵下發生共振，從而引起非驅動端軸承箱垂直方向振動值超標。

鑒于振動測試的結果，各方對制造商提供的出廠測試報告提出質疑。經過進一步溝通，制造商答復由于廠內試驗條件有限，在出廠測試時并沒有連接軸承箱冷卻水管路，不排除軸承箱冷卻水管路對軸承箱垂直方向的固有頻率產生了影響，從而引起軸承箱垂直方向共振。

2" " 振動治理

API 610中將軸承箱的共振試驗納入可選試驗，同時建議在固有頻率和激勵頻率之間應存在一個安全的間隙范圍，包括但不限于轉速的1倍頻、2倍頻、3倍頻；葉輪通過頻率的1倍頻、2倍頻等。通常情況下，制造商在設計時應避免泵的工作頻率或葉輪通過頻率處于共振區，且至少應保留25%的安全余量。顯然，甲醇泵的制造商忽略了上述情況。

振動是作用力與剛度的比率，即：

式中：力代表作用在機器上的力，既包括內力也包括外力；剛度代表機器受到的力與其機械系統響應的比率。

而軸承箱垂直方向的固有頻率為：

式中：ω代表機器的固有頻率；K代表機器系統的彈簧剛度；M代表機器系統的質量。

某公司甲醇泵振動高的原因為葉輪通過頻率與非驅動端垂直方向固有頻率發生了重合，在泵的運行過程中，軸承箱在葉片通過頻率的激勵下發生共振，從而引起垂直方向振動值超標。因此，解決振動超標有兩個方向：第一，減小葉輪通過頻率下的激勵力；第二，增加非驅動端軸承箱垂直方向的剛度。

國內外有關研究表明，雙吸泵錯列葉輪布置方案對葉輪通過頻率的抑制有顯著效果[1]。當前，錯列葉輪結構已在雙吸泵的設計中被廣泛采用，實踐證明雙吸葉輪葉片錯列一定角度后可以顯著降低泵內壓力脈動，某些工況下，其葉頻能量抑制效果可高達80%[2]。Fu-Jun Wang等對均勻錯列葉輪的雙吸泵進行了振動測試與分析，認為泵體的振動主要是由葉輪—蝸舌動靜干涉作用引起的[3]。

綜上，錯列葉輪可以有效抑制雙吸泵內動靜干涉誘發的壓力脈動能量，從而有效減小葉頻產生的激振力。

根據頻譜分析及敲擊測試分析結果，制造商對泵的葉輪進行了重新設計，將原設計的6葉片葉輪更改為7葉片葉輪，如圖3所示；同時對泵的水力學計算進行了優化；另外，泵的軸承箱也進行了重新設計，并進行固有頻率模擬測算，以避免再次出現同樣的問題。

新的葉輪及軸承箱制造完成后，現場組織進行了更換，在隨后的測試中，泵的振動顯著下降，各測點振動值如表3所示。

3" " 結束語

隨著社會經濟的不斷發展，新建煉化企業大型化、規模化已然成為常態。這些企業普遍具有加工流程長、上下游聯動緊密的生產特點，任意一個流程中斷，都將給上下游穩定運行帶來嚴重影響。

離心泵歷來是大型煉化企業工藝流程中的關鍵設備，一旦出現振動故障，輕則導致設備零部件損壞，重則導致加工流程中斷，必然給企業經濟效益帶來重大損失。新形勢下，煉化企業盈利空間不斷收縮，設備檢維修費用控制日益嚴格，各單位對機泵振動水平管理也日益嚴格。近年來，關鍵機泵在線監測及故障診斷系統的廣泛應用為企業機泵振動治理提供了良好的平臺，同時也為提高企業經濟效益提供了根本保障。

筆者通過對某煉化企業甲醇泵振動故障進行分析，利用頻譜分析及敲擊測試表現出的故障特征，結合國內外相關文獻的研究成果，綜合分析故障原因，以此為依據提供治理意見并組織實施，高效解決了文中所述設備振動超標的問題，為設備長周期穩定運行提供了本質保障，因而具有一定的借鑒意義。

[參考文獻]

[1] 姚志峰，王福軍，楊敏，等.葉輪形式對雙吸離心泵壓力脈動特性影響試驗研究[J].機械工程學報，2011，47（12）：133-137.

[2] 王非凡.錯列葉片離心葉輪對泵內動靜干涉特性的影響研究[D].鎮江：江蘇大學，2022.

[3] WANG F J，QU L X，HE L Y，et al.Evaluation of Flow-Induced Dynamic Stress and Vibration of Volute Casing for a Large-Scale Double-Suction Centrifugal Pump[J].Mathematical Problems in Engineering，2013：764812.1-764812.9.

收稿日期：2024-01-19

作者簡介：李凡（1990—），男，重慶人，工程師，研究方向：振動分析，壓縮機、機泵等動設備管理。