陳國龍

中石化石油工程設計有限公司，山東東營 257026

某國外工程項目注水泵為多級高壓離心泵，共4臺（3用1備），主要執(zhí)行標準為國際通用離心泵標準API 610。每臺泵的技術參數完全一樣，其設計點參數為：流量55 m3/h，入口壓力5.2 bar（1 bar=0.1 MPa），出口壓力 299 bar，泵轉速5 900 r/min，共10級葉輪。該注水泵為BB5泵型，為徑向剖分的雙層殼體結構，內層泵殼體采用鑄鋼，外層泵殼體采用鍛鋼。該項目在現場試車時，注水泵出現泵本體振動嚴重超標現象，進出口管道出現明顯晃動的現象。

離心泵振動超標可能導致轉子與定子相互摩擦甚至咬死，損壞轉子、定子或軸承等零部件，離心泵因此無法正常工作；也可能導致軸封失效，發(fā)生泵送介質泄漏，污染環(huán)境；還可能造成與泵連接的管件、閥門、基礎振動，致使緊固件松動甚至損壞，對操作人員和周邊環(huán)境造成次生危害。據行業(yè)統計，振動超標是離心泵軸封泄漏、零部件損壞及故障停機的一個重要原因。離心泵是石油、石化行業(yè)工藝流程中重要的介質輸送設備，對企業(yè)的安全生產有重要影響，因此離心泵出現振動超標后必須及時分析原因[1]，提出整改措施，以確保問題得到及時解決。

1 振動原因分析

振動是衡量離心泵機組的一項非常重要參數[2-3]。離心泵振動超標的原因主要有泵的結構缺陷和安裝、操作運行不合理。泵的結構缺陷應從設計、制造兩方面進行分析；安裝、操作運行不合理應從現場實際安裝、配管布置、操作維護等多方面進行分析，從而發(fā)現引起泵機組振動超標的真正原因，提出解決措施。

1.1 泵本身結構缺陷

（1）軸剛度問題。高壓離心泵通常是葉輪級數多、泵軸長。如果泵軸剛度不夠，轉動時撓度會偏大，轉子和定子零部件可能發(fā)生磨擦，甚至導致抱軸、軸封失效、軸承損壞等。多級離心泵截面如圖1所示。

圖1 多級離心泵截面示意

（2）轉子不平衡問題。離心泵轉子的質心如果不在回轉軸線上，轉子就不平衡[1]，在轉動過程中，不平衡質量就會產生周期性離心力，該離心力作用在離心泵的軸承上，會引起軸承振動，甚至直接損壞軸承。

1.2 流體作用引起的振動

從圖2所示的離心泵特性曲線可以發(fā)現：在設計點（最佳效率點）附近，離心泵的振動值最小；隨著流量的增加或減少（偏離設計點），泵的振動值都會變大。這是因為當運行點偏離設計點工況時，介質速度的方向和大小均會變化，介質的入口沖角與轉子葉片的安裝角產生偏差，介質就會沖擊葉片，形成作用于葉輪的沖擊力，而因為作用于葉輪四周沖擊力的大小和方向不同，便會產生偏心振動。

當離心泵流量減小時，泵的揚程增加，軸向力也隨之增大，平衡盤不能完全平衡掉新產生的軸向力，這樣就會形成一個指向泵入口的軸向力，導致轉子向泵入口方向竄動，這樣就磨損甚至磨壞平衡盤、止推軸承等零部件。零部件磨損、流體流場紊亂等原因產生的熱量使原溶解在泵送介質中的氣體析出，可能使泵腔內部分介質汽化，并產生異常振動和噪聲等現象，導致泵無法穩(wěn)定運行。

圖2 離心泵特性曲線[2]

1.3 氣蝕

離心泵在運行期間，因某種原因泵腔內局部壓力降低到流體的汽化壓力時，就會從液體中析出氣泡，氣泡隨著液體一起流到高壓區(qū)后會因高壓液體的擠壓而潰滅，氣泡內的氣體重新凝結并會出現較高的水錘壓力，使與介質接觸的零部件表面遭受侵蝕和破壞，該情況稱為離心泵的氣蝕[4]。

氣蝕發(fā)生時，離心泵流道內會有“噼噼啪啪”的響聲。響聲在泵首級葉輪處會比較顯著，同時有較強的振動產生。這種現象進一步發(fā)展會造成過流部件剝蝕及腐蝕破壞、密封損壞等，同時泵的揚程、流量突然下降，效率降低，最終會導致離心泵出口處的壓力值降到零，流量值也降到零，從而喪失輸送介質的功能。

氣蝕是由泵、吸入裝置和輸送介質等多方面因素共同決定的。為了保證離心泵不出現氣蝕，泵進口法蘭處介質的能頭不僅要高出介質的汽化壓力，還須有足夠的富余量，即氣蝕余量。工程上，主要關心的氣蝕余量是必需氣蝕余量NPSHr和有效氣蝕余量NPSHa。必需氣蝕余量是指介質從泵入口到首級葉輪壓力最低點的全部能頭損失，是由離心泵結構本身決定的；有效氣蝕余量是指泵入口介質所具有的介質汽化壓力的那部分能頭，是由吸入裝置的安裝方式、操作條件等決定的，隨著吸入裝置條件的改變而改變。判別離心泵氣蝕的條件如下[4]：NPSHa＞NPSHr時，離心泵不發(fā)生氣蝕；NPSHa=NPSHr時，離心泵開始出現氣蝕；NPSHa＜NPSHr時，離心泵已經氣蝕。

1.4 現場安裝

（1）同軸度及對中。同軸度需要離心泵機組所有的回轉零部件（如泵軸、軸承、聯軸器、電機軸等）都按廠家制造圖紙標注的加工精度生產制造。在離心泵的安裝過程中，聯軸器對中必須滿足標準要求。若聯軸器不對中，破壞了聯軸器轉動時的平衡狀態(tài)，離心泵運轉過程中，周期性的不平衡應力就會作用在泵機組上，從而引起整個機組的振動。

（2）配管設計安裝。作為一種旋轉設備，離心泵運行時會產生一些不可避免的振動。若泵進出口管道安裝不好，那么振動就會傳遞到管道上。配管設計時應盡量避免閥門及儀表的重力、變形應力和裝配應力等額外荷載作用在離心泵上，機組的墊鐵、管架、管托等支承部件應切實起到支撐固定作用；對溫差變化大的工藝流程管系，建議考慮設置波紋管以消除管道熱應力的影響。離心泵管道的設計應符合以下要求：盡量減少不必要的彎頭數量，要有合理的管道支撐和盡量進行無應力管道連接。

（3）泵機組基礎。離心泵地腳螺栓通常預埋在混凝土基礎底座中，機組橇座安裝完成后進行二次灌漿，使橇座和基礎底座形成一個整體。如果基礎的強度不夠，重量太輕或地腳螺栓固定不好，機組運行時就容易出現振動超標現象；如果離心泵固有頻率與基礎振動頻率形成共振，也會發(fā)生強烈振動。

（4）泵入口管道清洗?，F場試運時需對管道進行吹掃，以保證管路系統滿足投產條件。但是有些項目在試運初期沒有按照要求對管路進行嚴格吹掃，管道內流體較臟，容易產生氣蝕，同時伴隨有振動，嚴重時離心泵不能正常工作。

2 消除振動超標的對策

2.1 核實泵本身的設計問題

機械運轉試驗和性能試驗是離心泵檢驗、驗收中非常重要的試驗。本項目的注水泵在出廠前已經在國外最終業(yè)主和第三方監(jiān)理的見證下，嚴格按照按合同文件規(guī)定及相關標準要求進行了4 h額定流量、額定轉速下的機械運轉試驗及性能試驗。從出廠報告上可以初步判斷，該注水泵在結構設計、泵軸強度、剛度等方面沒有問題，排除了該泵本身設計制造方面的問題。

2.2 檢查泵機組的同軸度和基礎

經檢查，注水泵機組的同軸度在標準要求范圍內，基礎固有頻率、振幅經重新核算也沒有問題，剛度、強度亦滿足要求，地腳螺栓無松動，因此排除了機組同軸度不滿足要求、基礎不符合要求和地腳螺栓松動等因素。

2.3 核算現場安裝問題

（1）在工藝流程設計時，已經充分考慮因入口壓力低而發(fā)生氣蝕的情況，在注水泵流程前已設置了喂水泵，增加了注水泵入口壓力，從而避免了有效氣蝕余量不足而導致發(fā)生氣蝕。泵加工制造完成后，若不改變泵內部結構，其必需氣蝕余量NPSHr是不變的。裝置的有效氣蝕余量NPSHa的計算公式為[4]：

式中：PA為喂水泵出口壓力，Pa；PV為介質氣化壓力，Pa；ρ為介質密度，kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；Hg1為介質提升高度，m；hA-S為吸入管路內流動能量損失，J/kg。

由式（1） 可知，注水泵的有效氣蝕余量NPSHa由喂水泵出口壓力PA、介質的氣化壓力PV、注水泵相對喂水泵提升高度Hg1和管路內流動損失hA-S共同決定。當裝置安裝后，注水泵相對喂水泵提升高度Hg1不變，且介質物性基本不變，其汽化壓力 PV是定值，引起有效氣蝕余量降低的因素只有管路流動損失hA-S。分析管路損失時，重點考慮閥門和過濾器的影響，在設備試運行階段，可能會發(fā)生管道因吹掃不干凈而導致入口過濾器堵塞。打開泵入口管道，發(fā)現管道內較臟，而且在泵入口過濾器前發(fā)現一只手套。于是對管道嚴格按照操作程序進行了清洗，并更換了過濾器濾芯。

（2） 拆掉注水泵進出口法蘭的連接螺栓后，注水泵配對法蘭在管道應力的作用下有較大串動，無外力作用下連接螺栓不能自由通過注水泵本體法蘭和配對法蘭的螺栓孔；發(fā)現部分支架墊鐵與管道接觸嚴重不實，不能起到有效的固定支撐作用。管道安裝的殘余應力也是導致注水泵試車運行時進出口管道出現振動超標的原因之一。

（3）為了核算共振問題，分別對注水泵和管系進行固有頻率的計算。離心泵激發(fā)頻率的計算公式如下[3]：

式中：fi為第i階激發(fā)頻率，Hz；Z為泵的葉片數；N為泵轉速，r/min。

在工程分析中，由于基波共振會產生最大振幅，因此通常取i=1。則：

管系的振動模態(tài)分析結果見表1。比較離心泵固有激發(fā)頻率和表1所示管系的固有頻率，可以初步判斷該注水泵機組與管道不存在共振問題。

表1 管系振動模態(tài)分析結果

注水泵出口管道的公稱直徑為DN 50，其中兩個支撐的間距約為6 m，管道系統的長徑比較大，剛性不足。管系振動模擬結果如圖3所示。從圖3可以看出，立管兩個彎頭附近圓圈標記位置的振幅較大，應在該處施加相應的約束，增加管系剛度，從而減小管系的振幅。應選擇合適的約束形式，既要抗振，又不妨礙管道熱位移。

圖3 管系振動模擬結果示意

（4）在注水泵出口10 m的管道上共有6個彎頭，出口DN50管道的第一個彎頭距離出口法蘭僅有180 mm。為了研究彎頭對流體的影響，利用流體仿真軟件Fluent對管道內的流場進行模擬分析，模擬結果如圖4所示。從圖4可以看出：管道內流體在彎頭處產生壓力脈動及流體流速的變化，從而產生激振力，激振力可能會激發(fā)閥門和管道產生振動。

圖4 彎頭處壓力與速度流場云圖

從圖4可以看出兩個彎頭間距為管直徑的5倍時，經過彎頭處產生的紊流基本消失，但是應嚴格控制間距不能小于3倍管道直徑，否則流體一直呈紊流狀態(tài)，而且紊流程度不斷累加，流體激振加劇。在配管設計時需綜合考慮管道熱應力和流體沖擊影響，盡量減少彎頭數量。為了減小泵進出口處的壓力脈動，管路直徑宜分別比泵進出口管徑大一個規(guī)格，從而改善流體流態(tài)。

根據模態(tài)分析結果，結合現場實際情況，制訂了以下改造方案：在合理的位置增加固定約束，同時調整支架墊鐵，確保墊鐵與管道和支架良好接觸。改造后的管道約束見圖5。

2.4 泵操作區(qū)間

從該注水泵的性能曲線得知：泵的最小穩(wěn)定流量為21 m3/h，現場試車時注水泵出口的注水管道還未全部施工完，試車時采用全部打回流的方式，由于回流管道調壓閥的設計流量僅為11 m3/h，導致注水泵現場試車時最大流量僅為11 m3/h，遠低于最小穩(wěn)定流量值。流量不足，流體會從葉輪中倒流出來，又從靠近葉輪輪轂處重新回到葉輪內，產生入口回流?；亓鲿_亂入口流場，造成水力波動，從而會導致泵振動超標和管道劇烈振動。按照API 610的要求，離心泵運行時應處于泵的優(yōu)先工作區(qū)，在該區(qū)域內，泵的振動值處于API 610的基本限度內。該工作區(qū)位于離心泵最佳效率點流量的70%～120%區(qū)間內。

圖5 管道支架整改后實物

2.5 整改后試車

待注水管網施工完成后，重新檢查了整個工藝流程，對管道進行充水排氣，嚴格按照正常操作流程試車，將泵的實際流量提高到額定值運行。改造后的注水泵穩(wěn)定運行時各點振動幅值都在標準規(guī)定范圍內，管道振動基本消除，達到了預期的改造效果，泵及管道振動問題的解決有力保證了該工程注水系統的正常投產。在今后的生產運行中，應該確保工藝操作得當，使注水泵處于優(yōu)先工作區(qū)內運行，現場施工安裝應嚴格按照規(guī)范要求進行。

3 結論

（1）引起多級離心泵機組振動的原因往往是多方面的，與離心泵設計選型、機組安裝、操作運行及后期維護保養(yǎng)等都存在較大關系。因此在設計制造、安裝施工、操作試車等方面都需要進行嚴格控制，出現問題后要有步驟地逐個排查，找到造成振動的最終原因，并制訂有效的整改措施。

（2）配管設計時，管道敷設應盡量順直，在滿足熱脹要求的同時，盡量減少管道變向。由于壓力脈動，激振力主要產生在管道各個轉彎、截面變化處，彎頭閥門等荷載集中的地方容易引起振動，應考慮設計支架，必要時管道可裝熱補償器以消除管系熱應力。

（3）定期對機組進行檢查保養(yǎng)，使軸承等潤滑部件潤滑良好，溫度、振動、液位等檢測儀表工作應正常，及時清除出現在離心泵和管路系統內的雜質、異物，定時更換新過濾元件，確保管路系統暢通。

（4）這種小流量、高揚程、高轉速和大功率的注水泵在運行時，若發(fā)生流量低于規(guī)定的最小流量，則泵會出現較大異常，甚至故障停機。建議采取如下兩種方式：第一，泵上設置最小流量線，當流量低于規(guī)定的最小流量時，打開回流管道閥門補液，保證泵運行在允許工作區(qū)，或優(yōu)先工作區(qū)；第二，推薦泵采用變速調節(jié)，通過調節(jié)轉速+出口閥門開度來調節(jié)泵的流量和揚程，轉速降低后，小流量時既可以保證泵的揚程，又可以改善泵腔內的流場狀態(tài)，離心泵的振動、噪聲和能耗都會隨之降低，還能節(jié)省用電成本。