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流体脉动诱发离心泵振动的分析郭磊

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第9期作者：郭磊

[导读] 摘要：分析了炼油厂大芳烃装置抽提进料泵P-2401/B的振动故障，通过频谱分析结合现场实际检修情况对比验证，找到叶轮通过频率和流体激振诱发轴承箱机械振动的原因。

        中国石油天然气股份有限公司乌鲁木齐石化分公司乌鲁木齐 830019
        摘要：分析了炼油厂大芳烃装置抽提进料泵P-2401/B的振动故障，通过频谱分析结合现场实际检修情况对比验证，找到叶轮通过频率和流体激振诱发轴承箱机械振动的原因。
        关键词：离心泵；叶轮通过频率；流体激振；频谱分析；振动；
        1、引言
        随着炼油厂各大装置对生产品需求的增大，导致设备长期满负荷运转，由于各种因素交加，经常会造成设备故障突发，其中机械振动就属于较为典型的故障之一，而引起离心泵振动的原因有多种，常见的机械问题：如转子动不平衡，动静摩擦，对中不良，轴承故障，基础松动，管线憋劲等；工艺操作问题：如泵出现抽空，汽蚀现象等。但还有一种情况与流体激振力有关，研究表明流体动态激振力对离心泵叶轮及转子系统的运转有很大的影响。
        2、流体脉动引发振动特点与原因分析
        叶轮通过频率是离心泵由于流体的压力脉动产生的常见的振动频率成分之一。而叶轮通过频率振动是流体机械的流道内产生压力脉动所诱发的高频振动，其频率是整圈叶轮流道数与转速频率的乘积，即液体通过每个流道时发生突变或不连续处就会产生一次压力脉动，且这种压力单次持续的时间不长，有可能呈现一定的周期性。
        叶轮的选型、管路设计不合理、安装偏差或运行磨损，亦或者动平衡没有做好，都会导致设备运行偏离最优工况，使叶轮出口流速分布含有一定的切向速度分量，从而产生旋涡或脱流现象，引发较大的流体脉动，诱发叶轮通过频率的振动。
        3、设备和监测情况简介
        炼油厂大芳烃装置P-2401/B抽提进料泵，位于大芳烃抽提单元中间罐区，介质为芳烃，主要依靠该泵将介质供给到预加氢重整、歧化、异构化等维持物料平衡，该泵设备型号为HZE100-80-400，转速2950r/min，流量111.2m3/h，扬程：179m功率110KW。自2016年11月19日解体大修更换新轴承和新叶轮后机泵运行一直振动大，直至2017年3月27日引发跳车故障。期间使用BH550进行监测，发现该泵驱动端与非驱端水平向振动烈度一直偏高，运行过程中最小振动为6.0mm/s，最大振动为8.9mm/s，均超过了现行国标(GBT29531—2013)规定的泵振动值不应超过4．5 mm／s。
        4、谱图分析
        从近几个月监测记录来看，除振动值浮动外，该泵存在明显的流体冲击。机泵跳车前最后一次使用BH550采集振动数据，驱动端水平向振动有效值为8.9mm/s，频谱图中三倍频占主导，且存在一倍频和二倍频分量，其中三倍频幅值为7.0mm/s（见图1），该泵叶轮有3个流道，判断该频率为叶轮通过频率，现场监听泵壳内存在非连续性异音，表明壳体内存在一定的流体冲击，现场检测二倍频幅值有较大浮动，说明叶轮运行时存在不稳定状态，非驱端测点频谱显示信号频率情况相同，因此判断机泵振动大的原因来自于叶轮。

        图1 3H频谱图
        5、故障情况
        1）将机泵解体后发现轴头断裂脱落（见图2），叶轮外侧边缘与壳体有磨损痕迹，结合3H水平方向一倍频幅值上升说明不平衡特征是因轴头断裂导致叶轮松动，并与壳体发生碰磨引起。
        2）该泵在上次检修时发现叶轮有开裂情况（见图3），随后更换新叶轮，但在新旧叶轮对比时发现，新叶轮各部尺寸均存在偏差，
        3）新叶轮大盖端脖子高度短2.7mm，因此新加工了2.7mm的垫子安装于叶轮大盖端，以弥补新叶轮的高度。新旧叶轮前后盖板偏差1mm，液道宽度存偏差1.8mm，结合3H水平向三倍频突出，新旧叶轮尺寸偏差大，可能导致叶轮流道与壳体液道中心距存在偏差，从而引发叶轮通过频率。
        由于该泵为装置关键设备，备用泵运行也存在不稳定情况，若同时出现故障将导致介质无法供应，最终造成产品不合格或装置停工。在无原厂新叶轮的情况下，随后联系厂家通过计算将机泵叶轮尺寸由401mm切削至388mm，并对转子做动平衡效验，同时根据叶轮尺寸到现场实际测量叶轮流道与壳体流道中心距，重新计算加工垫子厚度进行调整。回装机泵试运水平向振动降至5.1mm/s，通过BH550检测3H水平向仍是三倍频主导，并存在一倍频和二倍频分量，同时存在大量边频（见图4），现场对泵壳体与入口管线检测，发现壳体加速度为27m/s2，入口管路加速度为77m/s2，加速度能量冲击大，说明该泵振动大主要还是因流体冲击而引发叶轮通过频率而导致。

        6、故障分析
        1）该泵运行时振动一直超标，轴头尺寸变径较大，从φ42---φ21mm，轴头强度变低，因流体激振导致轴头承受较大的交变载荷，易造成轴头处应力集中疲劳断裂。
        2）新叶轮的结构和各部尺寸均存在偏差，导致叶轮流道与壳体液道中心距偏差1.8mm，引发叶轮通过频率振动。
        3）管路中的流体速度很高，如果叶轮设计的流道结构对流体的引导不顺畅，则会在流道中形成边界层分离、二次流、倒流和局部冲击现象，产生很多漩涡。由于漩涡中的压力速度和主流体相差很大，这些漩涡的产生和消失，将引起流体的压力脉动，激发设备和管道振动。
        4）检修前后机泵振动特征不变，车削叶轮只是减小了流体的甩出速度，降低了流体的激振力，问题主要存在入口处，振动加速度高，介质冲击大，主要原因可能为叶轮与壳体环向及轴向间隙不均或制造及流体设计存在偏差。
        5）泵的设计选型与工艺条件不符，造成设备运行存在隐患，工艺反应泵在运行过程中始终处于量不稳的状态，时刻给装置生产造成严重威胁。另外，查阅机泵检修记录，从2016年到2017年共大修6次，且轴弯曲、断轴、叶轮开裂的情况不止一次发生，因此将该泵列入了短板机泵行列。 2019年6月，按照工艺需求重新对泵进行了选型更换，新泵自投入使用后通过BH550检测最大振值1.2mm/s。
        7、结束语
        考虑流体动态激振力对离心泵的振动特性更加接近实际，由于实际工作中，离心泵处于一个比较复杂的工作环境，难免受其它因素的干绕。某种故障的发生时，频率和振动故障相对应的关系并不是唯一的，某种频率有可能与多种故障有关联，它很可能是由多个故障引起的，这些原因叠加起来导致它的振动大，所以我们必须在实际工作中不断获取实际数据和积累经验，才能对于离心泵动态特性的实时监控取得精准的分析和判断，从而达到预知性检修的最终目的。
        参考文献
        [1]蒋爱华，李国平，周璞等.离心泵流体激励力诱发的振动: 蜗壳途径与叶轮途径[A].振动与冲击，2014.10.
        [2]蒋爱华，章艺，靳思宇等.离心泵叶轮流体激励力研究[A].振动与冲击，2012.
        [3]徐彦超，李建勤，于兴峰.离心泵流体介质引起的振动故障分析[B].设备管理与维修，2011.