王 勤 華鎖寶 楊玲玲 劉志軍

(1.合肥通用機(jī)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(jiǎn)單緊湊、效率高、流量大、容易操作和維修，目前廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。振動(dòng)是考核離心泵性能的重要參數(shù)之一，如果其超標(biāo)將會(huì)降低設(shè)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(jī)組不能正常運(yùn)行。同時(shí)，易引發(fā)電機(jī)和管路的振動(dòng)，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(jìn)行出廠測(cè)試時(shí)必須保證其振動(dòng)100%合格。筆者基于多年離心泵性能測(cè)試方面的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)性能測(cè)試中常見(jiàn)的振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 離心泵振動(dòng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法

目前，離心泵的振動(dòng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行判定，對(duì)離心泵的優(yōu)先工作區(qū)和允許工作區(qū)內(nèi)的振動(dòng)值進(jìn)行了確定；后者根據(jù)轉(zhuǎn)速與中心高對(duì)離心泵分類，然后根據(jù)A、B、C、D振動(dòng)烈度進(jìn)行判定。

現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試過(guò)程中通常對(duì)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端分別設(shè)點(diǎn)測(cè)量取值，其中驅(qū)動(dòng)端對(duì)其水平方向、豎直方向分別測(cè)量；非驅(qū)動(dòng)端對(duì)其水平方向、豎直方向及軸向分別測(cè)量。根據(jù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的條件，又分為儀器手動(dòng)測(cè)量和傳感器傳輸兩種。

2 離心泵振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題排查分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，通常根據(jù)整改的難易程度依次尋找存在的問(wèn)題，具體順序?yàn)殡x心泵操作的問(wèn)題→安裝問(wèn)題→裝配和零部件的問(wèn)題→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

2.1 操作問(wèn)題

有關(guān)操作問(wèn)題的檢查要點(diǎn)有：

a. 檢查潤(rùn)滑油的情況，潤(rùn)滑油選型不當(dāng)、變質(zhì)、雜質(zhì)含量超標(biāo)和潤(rùn)滑管道不暢而導(dǎo)致的潤(rùn)滑故障，都會(huì)造成軸承工況惡化，引發(fā)振動(dòng)。對(duì)于水潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承，啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)加足預(yù)潤(rùn)滑水，避免干啟動(dòng)，直至水泵出水后再停止注水。油潤(rùn)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(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行(即長(zhǎng)期處于汽蝕條件下工作)，這種偏離設(shè)計(jì)最佳操作的工況會(huì)造成喘振，給葉輪帶來(lái)嚴(yán)重破壞，從而造成振動(dòng)超標(biāo)。

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

2.2 安裝問(wèn)題

在核對(duì)完操作問(wèn)題無(wú)誤后，如果仍存在振動(dòng)超標(biāo)，則需對(duì)泵的安裝問(wèn)題進(jìn)行檢查：

a. 檢查泵的基礎(chǔ)，因測(cè)試臺(tái)與安裝現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)。

b. 泵找正不對(duì)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(jī)的對(duì)中性破壞；管道在安裝過(guò)程中應(yīng)力太大，進(jìn)出口管路與泵連接時(shí)內(nèi)應(yīng)力大；進(jìn)、出口管線松動(dòng)，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(méi)有開(kāi)啟；進(jìn)水口有進(jìn)氣，流場(chǎng)不均，壓力波動(dòng)。這些原因都會(huì)直接或者間接導(dǎo)致泵和管路的振動(dòng)。

d. 電機(jī)軸和泵軸同心度超差；電機(jī)和傳動(dòng)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(wèn)題

如果操作得當(dāng)，且安裝不存在問(wèn)題，則需對(duì)泵進(jìn)行拆解，檢查泵在制造和裝配過(guò)程中是否存在不符合工藝、設(shè)計(jì)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(duì)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(biāo)。

e. 檢查轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡是否超標(biāo)。

f. 檢查是否存在共振現(xiàn)象。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題

如果離心泵的操作、安裝及裝配和零部件均核對(duì)不存在問(wèn)題，但泵仍存在振動(dòng)超標(biāo)，則需考慮是否存在設(shè)計(jì)問(wèn)題：

a. 泵的選型是否存在問(wèn)題。

b. 配管系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到熱力管在升溫后對(duì)機(jī)泵軸中心推移的嚴(yán)重影響；泵出入口管線在安裝和焊接過(guò)程中總是有一定的軸向或徑向應(yīng)力。

c. 水力設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題。

以上4點(diǎn)為常見(jiàn)的造成離心泵振動(dòng)超標(biāo)的原因，可能單一作用導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)，但更多的時(shí)候是多重因素共同影響的。

3 離心泵振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題實(shí)例分析

某項(xiàng)目采購(gòu)的離心泵，水平中開(kāi)式，首級(jí)雙吸葉輪，次級(jí)葉輪葉片數(shù)包含5級(jí)和7級(jí)，輸送介質(zhì)為貧甲醇，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2 960r/min，額定流量526m3/h，額定揚(yáng)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(jí)。根據(jù)JB/T8097中表3泵的振動(dòng)級(jí)別分為A、B、C、D，其中A、B、C級(jí)為合格，D級(jí)為不合格，查表得最終振動(dòng)烈度需不超過(guò)7.1mm/s。根據(jù)API 610按泵的轉(zhuǎn)速和功率進(jìn)行劃分，查表得該泵在優(yōu)先工作區(qū)各個(gè)方向的振動(dòng)值需不超過(guò)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(dòng)值可上浮30%，即不超過(guò)3.9mm/s。

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

圖1 非驅(qū)動(dòng)端軸承箱體處豎直方向振動(dòng)頻譜

圖2 驅(qū)動(dòng)端軸承箱體處豎直方向振動(dòng)頻譜

制造廠對(duì)振動(dòng)超標(biāo)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析研究，首先檢查操作是否得當(dāng)及是否存在螺栓松動(dòng)等安裝問(wèn)題，檢查核實(shí)無(wú)誤后進(jìn)行測(cè)試，仍存在振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。因振動(dòng)主要超標(biāo)問(wèn)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(cè)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(wèn)題，首先進(jìn)行了軸承箱體的拆檢和轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)端的軸瓦燒毀，同時(shí)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡也超差。制造廠更換了新的驅(qū)動(dòng)端軸瓦，重新做了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。

設(shè)計(jì)人員初步分析此種振動(dòng)超標(biāo)為聲共振造成的，即聲波在水里的波長(zhǎng)和泵內(nèi)一段過(guò)渡流道長(zhǎng)度接近引起的。而且這種振動(dòng)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(cè)試時(shí)有振動(dòng)，到用戶現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)密度改變，聲波的速度和波長(zhǎng)就相應(yīng)改變了，振動(dòng)就不一定存在。

葉片通過(guò)隔舌時(shí)的振動(dòng)是產(chǎn)生脈動(dòng)的根源，壓力脈動(dòng)沿著長(zhǎng)過(guò)渡段前行，傳播波至下游葉輪處反射回來(lái)，互相之間形成共振。泵內(nèi)長(zhǎng)過(guò)渡段的長(zhǎng)度和聲波在試驗(yàn)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(dòng)對(duì)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(jí)葉輪的直徑，同時(shí)對(duì)泵體的第三級(jí)和第四級(jí)的隔舌處進(jìn)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(duì)泵又重新進(jìn)行了組裝和試驗(yàn)，振動(dòng)有了降低但仍有些超標(biāo)，非驅(qū)動(dòng)端軸承箱體處豎直方向的振動(dòng)數(shù)值為6.2mm/s左右，其他方向振動(dòng)均小于3.0mm/s，振動(dòng)頻譜如圖4所示。

圖4 非驅(qū)動(dòng)端軸承箱體處豎直方向振動(dòng)頻譜

經(jīng)過(guò)整改，目前該臺(tái)離心泵振動(dòng)指標(biāo)已符合JB/T 8097-1999 《泵的振動(dòng)測(cè)量和評(píng)價(jià)方法》的要求，但根據(jù)API 610要求，該泵的各個(gè)方向的振動(dòng)值需控制在3.0mm/s內(nèi)。因此需要進(jìn)一步降低葉輪和泵體過(guò)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(shí)對(duì)底座進(jìn)行加強(qiáng)處理，在底座的下面焊接了一些加強(qiáng)筋。然后再重新做轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡和泵的裝配和測(cè)試，最終試驗(yàn)所有在API 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)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(yǔ)

因離心泵的流道長(zhǎng)度和介質(zhì)密度引起的聲共振，由于工廠測(cè)試所用介質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際輸送介質(zhì)的不同，因此存在不確定性。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期需對(duì)其流道長(zhǎng)度與現(xiàn)場(chǎng)輸送介質(zhì)密度等因素進(jìn)行綜合考慮。引起離心泵振動(dòng)超標(biāo)的原因是多重的，彼此之間相互影響，原因復(fù)雜多樣，需要不斷的分析改進(jìn)，確保在工廠水力測(cè)試時(shí)振動(dòng)完全合格。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，操作人員要對(duì)離心泵在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，做好定期的巡檢，檢查離心泵的螺栓緊固程度，離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(yán)重后果前將問(wèn)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(guó)石油學(xué)會(huì)，2004.

[2] JB/T 8097-1999，泵的振動(dòng)測(cè)量和評(píng)價(jià)方法[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.