張迪

（中海油石化工程有限公司，山東濟(jì)南 250000）

[關(guān)鍵字] 單螺桿泵；失效分析；高振動(dòng)

1 前言

單螺桿泵又稱為偏心轉(zhuǎn)子泵，具有流量均勻、輸出壓力穩(wěn)定、自吸能力強(qiáng)、噪音低等有點(diǎn)，且可用于輸送含固體的介質(zhì)及不同粘度的介質(zhì)，對(duì)于輸送含固態(tài)物的污油、污水等介質(zhì)的工況，具有不易替代的作用[1]。

伊拉克某油田脫氣站閉排系統(tǒng)采用了立式單螺桿泵輸送閉排罐內(nèi)污油水介質(zhì)，立式螺桿泵由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、軸承箱等驅(qū)動(dòng)，部件安裝于閉排罐頂部。泵定子、轉(zhuǎn)子及排液室均位于罐內(nèi)，閉排泵吸入口位于罐底液面以下，且泵入口法蘭在徑向被安裝在罐底的環(huán)形支座束縛，減小長軸泵底部徑向擺動(dòng)。立式螺桿泵設(shè)計(jì)參數(shù)如下：額定流量50m3/h，額定運(yùn)行壓力2.0MPa，額定功率為45kw，驅(qū)動(dòng)裝置采用了工頻電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為310rpm。

閉排泵以水作為介質(zhì)進(jìn)行單機(jī)試運(yùn)行時(shí)發(fā)生劇烈振動(dòng)，本文從單螺桿泵振源分析入手，對(duì)立式螺桿泵振動(dòng)超標(biāo)問題進(jìn)行了深入分析，找出劇烈振動(dòng)主因，提出了切實(shí)可行的改造方案，改造后振動(dòng)大幅度降低，滿足長周期運(yùn)行需求。

2 閉排泵試運(yùn)行狀況

閉排泵采用水做為試車介質(zhì)，試車過程按照GBT29531《泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》[2]進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置見圖1：

圖1 立式螺桿泵振動(dòng)測(cè)點(diǎn)及方向

泵啟動(dòng)后振動(dòng)劇烈，采用手動(dòng)測(cè)振儀檢測(cè)1、2、3、測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值分別為：17.6mm/s、13.5mm/s、10.6mm/s。

GBT29531在評(píng)價(jià)泵的振動(dòng)級(jí)別時(shí)將泵按照中心高度（立式泵出口法蘭密封面到泵軸線間的投影距離）和轉(zhuǎn)速分為四類，本文中閉排泵應(yīng)歸為第一類泵，按照最低C級(jí)合格指標(biāo)，泵各位置振動(dòng)值不應(yīng)超過2.8mm/s，無論從現(xiàn)場(chǎng)觀感還是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來判斷，閉排泵都無法通過測(cè)試驗(yàn)收。

JBT8466《單螺桿泵》[3]機(jī)械行業(yè)規(guī)范對(duì)泵振動(dòng)評(píng)價(jià)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和流量分類，本文所述閉排泵屬于第三類泵，按照最低C級(jí)振動(dòng)合格指標(biāo)，泵各位置振動(dòng)值不應(yīng)超過7.1mm/s，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)值要求較低，但實(shí)測(cè)振動(dòng)值依然超標(biāo)。

3 振動(dòng)原因分析

單螺桿泵振動(dòng)超標(biāo)的原因眾多，常見的原因如下：泵與電動(dòng)機(jī)不同心；螺桿泵與襯套不同心或間隙大、偏磨；泵內(nèi)有氣；安裝高度過大導(dǎo)致泵汽蝕；泵筒內(nèi)進(jìn)入異物等情況?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)如上因素逐一進(jìn)行排查，對(duì)閉排泵進(jìn)行拆解檢查，裝配及安裝均符合技術(shù)要求[4]。重新復(fù)核閉排泵出廠測(cè)試報(bào)告發(fā)現(xiàn)，閉排泵在工廠以平臥式平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程對(duì)泵筒進(jìn)行了多點(diǎn)剛性束縛，而測(cè)試過程中振動(dòng)值最大處為5.7mm/s，超過GBT29531允許值，而廠家以單螺桿泵標(biāo)準(zhǔn)通過了出廠驗(yàn)收?，F(xiàn)場(chǎng)單機(jī)試運(yùn)時(shí)在出口壓力為0.8MPa的工況下運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行電流為44A，與工廠測(cè)試相同工況時(shí)的45A相差很小，綜合判斷泵組的泵送原件沒有發(fā)生故障。

單螺桿泵由于轉(zhuǎn)子在橡膠定子中做自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的行星運(yùn)動(dòng)，分別產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和離心力，進(jìn)而引發(fā)振動(dòng)。設(shè)轉(zhuǎn)子偏心距為e，轉(zhuǎn)子離心力為F，轉(zhuǎn)子質(zhì)量為m，轉(zhuǎn)速為n，則可近似得出式（1）

轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力受泵外筒及剛性固定點(diǎn)束縛，如離心力過大則泵會(huì)產(chǎn)生難以控制的振動(dòng)。從式（1）可以看出，轉(zhuǎn)速對(duì)于單螺桿泵振動(dòng)影響最大，其次是轉(zhuǎn)子質(zhì)量及轉(zhuǎn)子偏心距?？朔x心力的泵筒剛度及剛性固定束縛點(diǎn)數(shù)也對(duì)振動(dòng)有較大影響[5]。

工廠測(cè)試過程中對(duì)如下圖2所示A、B、C、D、E五個(gè)點(diǎn)均進(jìn)行剛性固定，而現(xiàn)場(chǎng)安裝后僅B和E兩固定點(diǎn)束縛，因而造成現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)測(cè)試振動(dòng)值遠(yuǎn)高于工廠測(cè)試。

圖2 閉排泵剛性束縛點(diǎn)

4 改造方案分析

鑒于閉排泵轉(zhuǎn)子質(zhì)量及偏心距無法改動(dòng)，因此改造方案以提高泵整體剛度、增加束縛點(diǎn)為主線，以達(dá)到滿足要求較低的JB8466標(biāo)準(zhǔn)允許值為改造目標(biāo)。

由于閉排罐內(nèi)表面已完成內(nèi)防腐，內(nèi)部無法進(jìn)行焊接作業(yè)，且考慮罐底部已有束縛點(diǎn)，因此第一次改造方案主要增加泵地面以上部分剛度及剛性束縛點(diǎn)數(shù)，具體方案見下圖3，斜撐與地面混凝土基礎(chǔ)固定。

圖3 外部支架改造圖

改造完成后進(jìn)行二次試運(yùn)行測(cè)試，按照?qǐng)D1測(cè)點(diǎn)1、2、3處振動(dòng)值分別為6.8mm/s、5.7mm/s、4.5mm/s，改造后振動(dòng)值顯著降低，符合JB/T8644標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，閉排泵生廠商技術(shù)人員認(rèn)為該測(cè)試結(jié)果符合技術(shù)要求，因此持續(xù)進(jìn)行4小時(shí)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，在測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)后期泵體突然發(fā)生劇烈振動(dòng)。

將泵拆卸后發(fā)現(xiàn)，罐底部用于束縛泵筒的支座發(fā)生斷裂，泵筒與泵安裝面板的焊縫出現(xiàn)裂紋，見圖4、圖5。

圖4 支座金屬斷裂

圖5 泵套筒焊縫裂紋

為了進(jìn)一步降低振動(dòng)，只能采用降低泵轉(zhuǎn)速方案。經(jīng)工藝技術(shù)人員核算，泵轉(zhuǎn)速降低至210rpm時(shí)，泵流量可以達(dá)到30m3/h，可以滿足排液需求。通過更換低速電機(jī)，將泵轉(zhuǎn)速降低至210rpm后再次測(cè)試，1、2、3點(diǎn)處振動(dòng)值分別為1.3mm/s、1.0mm/s、0.6mm/s，振動(dòng)烈度低于GBT29531標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，滿足長周期穩(wěn)定運(yùn)行條件。

結(jié)論

單螺桿泵振動(dòng)原因眾多，本文所述立式螺桿泵為泵本體設(shè)計(jì)剛度不足、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速過高原因?qū)е抡駝?dòng)超標(biāo)，經(jīng)多次改造后最終滿足長周期穩(wěn)定運(yùn)行條件。

實(shí)踐表明，長軸立式螺桿泵不宜單一采用JB/T8644振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)收，應(yīng)根據(jù)泵的運(yùn)行工況，綜合分析，制定合乎實(shí)際的振動(dòng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。