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離心泵振動原因分析和解決方案2018-06-15
離心泵振動原因分析和解決方案
離心泵振動原因分析和解決方案？摘要：分析了離心泵的振動原因，如汽蝕余量不夠、操作流量過低、輕組分分離不徹底、泵人口管道阻塞、泵的流道設計不合理、泵葉輪設計不合理、泵軸不對稱、泵體固定不好等。提出了整改方案，如抬高入口測液面高度、減少入口管線和管件的當量長度，增加最小回流線、穩定操作、清理管道內異物、改善泵內結構設計、泵體加固等。
離心泵是煉油化工企業中經常用到的動設備，能否正常運行，直接關系到整個裝置的安穩長滿優運轉。由于泵的振動，每年檢修都要投入大量的人力物力。既耗時耗力，又存在很大的安全隱患。本文對泵振動現象、原因和解決方案進行探討。
一、工藝參數
1.汽蝕余量
（1）典型現象
泵內有噼噼啪啪的聲音。泵體尤其是進口處振動大。嚴重時，流量和出口壓力波動大，流動不連續，出口管線振動并可能伴有水錘的聲音，最后會使出口壓力表指示為零，出13流量計指示為零。泵內葉輪有坑坑洼洼的痕跡，甚至轉子有磨損。對于流體為飽和態液體的泵，在液體為過冷態試運時可能沒有該現象，一旦介質溫度達到飽和溫度，則振動和噪音明顯。
（2）原因分析
系統的有效汽蝕余量不足，造成泵人口壓力低于介質的飽和蒸氣壓，介質汽化，同時還有溶解在液體里的氣體逸出，形成大量氣泡。氣泡在葉輪的外側高壓處迅速萎縮、凝結，形成真空區，氣泡周圍的液體迅速沖人，形成強大的局部高頻高壓水擊，造成壓力波動，并伴有撞擊的聲音。氣泡凝結時產生局部高溫，金屬表面因疲勞而產生剝蝕。情況嚴重時，大量氣體聚集在葉輪周圍，阻塞流道，使泵內液體流動的連續性遭到破壞，最后液流中斷，造成泵抽空，產生汽蝕現象¨。由于流量的斷斷續續，造成了泵的強烈振動，轉子和泵體產生摩擦，最終損壞，無法運行。
（3）解決方案
(1)增加系統的有效汽蝕余量如果是飽和態液體，通過提高泵入口液面高度；減少人口管件，如彎頭，閥門等；縮短管線長度；異徑三通改為同徑三通；改進流體流道；均可有效提高裝置的有效汽蝕余量。將飽和態液體冷卻成過冷態，也很有效。但該方案在需要熱進料時，會增加能耗。如果是過冷態液體，除了使用同飽和態液體一樣的方法外，還可以通過提高人口側容器的壓力來增加裝置的有效汽蝕余量。
(2)降低泵的必須汽蝕余量泵的必須汽蝕余量是泵體本身固有的性能。只有通過改變泵的內部結構才能實現。如在泵的吸人口加誘導輪等。泵的內漏、高溫高壓的介質由出口回流到泵的入口處，也可以引起汽蝕。如果是由泵的內漏引起的汽蝕，可通過減小口環間隙來解決。另外，在允許降低揚程的情況下，給泵的電機增設變頻調速器，降低電機轉速，可以減小葉輪入口處液流的相對速度，從而降低泵的必須汽蝕余量。該方案不僅可以降低泵的必須汽蝕余量，還可以節能降耗。
2.介質流量
（1）典型現象
泵在設計流量下運行時，振動不超標，隨著流量的大幅降低或提高，泵的兩端軸承及出口管線振動強烈。泵體內會發出往復機似的噪音。流量正常時，振動和噪音也恢復正常。
泵體，尤其是內側軸承座水平方向的振動明顯大于垂直和軸向振動的增大值。長時間運行，泵內葉輪、平衡盤、級間襯套、中段等會磨損。對單級雙吸泵，軸向的高頻振動使軸承損壞、葉輪口環成對稱偏磨，泵體口環偏磨，嚴重時將導致軸承斷裂。
（2）離心泵振動原因分析
任何一臺離心泵都有一個最佳工作范圍，體現在泵的性能曲線上。
離心泵的振動隨流量而變化，通常在最佳效率點流量附近其值最小，并且隨著流量的增大或減小而增加。從最佳效率點流量起，振動隨流量的變化取決于泵的能量密度、比轉速及汽蝕比轉速。通常，振動的變化量隨能量密度、比轉速及汽蝕比轉速的增加而增加。
離心泵除了有在性能曲線上標注的最小連續流量外，還有一個最小連續熱流量。泵在小流量條件下運行時，部分液體的能量轉變為熱能，使進口處液體的溫度升高，當液體溫度使有效汽蝕余量等于或小于泵必須汽蝕余量時，就會產生汽蝕現象。
在正常流量下，泵本身的自動平衡盤能很好平衡轉子軸向力。但流量過低時，由于軸向力的增大，自動平衡盤就不能將轉子的軸向力平衡掉，使轉子受到一個指向葉輪人口方向的軸向作用力，造成轉子向前竄動，轉子、平衡盤等部件嚴重磨損。軸向介質的人口沖角與轉子葉片的安裝角偏差較大，也會產生沖擊，引起強振。
對單級雙吸泵，當實際流量小于設計流量時，泵體內蝸殼的流道截面積顯得過大，使流體流動速度減小，葉輪出口的絕對速度增加，且方向發生改變。這樣，蝸殼內的液體與葉輪出口的液體相遇時，因速度大小和方向不同而產生撞擊，使得蝸殼內液體壓力不斷增高，從而破壞了蝸殼內液體流動壓力的軸對稱性。此外，由于蝸殼內壓力分布不均勻，殼內流體對流出葉輪的流體所起的阻礙作用也不同，使得沿葉輪四周的液體給葉輪的力和方向也不同，引起偏振。
（3）解決方案
泵的運行應處于優先工作區。此工作區位于所提供葉輪的最佳效率點流量的70％一120％區間內。額定流量點應當位于所提供葉輪最佳效率點流量的80％～110％區間內。
如果無法避免小流量操作工況，可從泵出口引一條最小回流線，到泵人口的容器內。如果是飽和態液體，應注意返回線不可直接接到泵的人口處，以免過熱的出口介質加熱入口介質，引起汽蝕。但回流的介質使泵做了無用功，增加了裝置能耗。
也可以在保持蝸殼不變的情況下，通過改變葉輪參數來改變泵的輸出流量。通過對葉輪的進出口角度進行修改，可減小作用在葉輪上的徑向力，減小振動。
3.介質組成
（1）典型現象
在開工初期，尤其是有加熱爐加熱的塔底泵，介質為飽和態液體，調試時，泵內有噼噼啪啪的聲音，泵體振幅大，猶如汽蝕現象發生。隨著操作參數調整到位，該現象會逐漸消失。
（2）原因分析
開工初期，操作條件不穩定，塔釜介質中包含有部分輕于設計值的輕組分。在開工過程中由于加熱爐升溫速度過快，使介質出現了過加熱現象。這些熱量在塔釜內沒有充分釋放，隨流體進入泵內，在泵腔的低壓處使輕組分汽化，形成汽蝕現象。
（3）解決方案
調整參數時，重沸爐的升溫速度應緩慢，泵的流量應控制在低負荷下操作。待塔釜中的介質組成接近設計值時，再逐漸加大泵負荷到正常操作點。
4.液體停留時間
（1）典型現象
容器內壓力和液位都很穩定，但泵內有噼噼啪啪的聲音，泵體振幅大。隨著流量的增大，泵人口壓力有下降趨勢，直到泵發生汽蝕現象。該現象多發生在泵人口容器有氣液兩相物流進入時。
（2）原因分析
氣液兩相流進入容器時，都需要一個分離時間，才能使氣體從液體中徹底分離出來。液體的停留時間，通常大于1rain。如果液面比較低，當煉油技術與工程2009年第39卷物流直接對準出口破沫器沖下，會形成物流短路，造成局部物流的停留時間縮短。（歡迎關注微信公眾號：泵友圈）如果停留時間不夠，則氣泡來不及從液體中逃逸，會隨液體一起進入泵腔。隨著流速的增加，裹夾的氣泡量增加，管路系統壓力降增加。當泵人口壓力低到飽和蒸氣壓時，會發生汽蝕現象。
當容器內液位高于兩相流體的人口管時，沖人的流體對容器內液體起了攪拌混合作用，形成泡沫，造成假液位，通常看到玻璃板液位計的液面很穩定，但實際上泡沫層已經很高。這種現象多發生在易起泡的體系。
（3）解決方案
提高容器的液面高度，增加停留時間，通常是有效的解決方案。在兩相流人口增加導流器，可以提高氣液分離的效率，減少氣泡夾帶，同時避免流體直接對容器出口破沫器沖擊，也可以避免該現象的發生。操作時應避免容器內液位超過兩相流人口管的下部。
二、施工問題
1.管路
（1）典型現象
在系統有效汽蝕余量足夠時，泵入口壓力異常。管路壓力降比理論計算值高得多，泵有汽蝕現象。
（2）原因分析
人口容器的破沫器、過濾器、管道等被異物阻塞，閥門未全開，均可以使管路壓力降增大。介質到泵人口處的壓力已經小于或等于介質的飽和蒸氣壓，造成介質汽化，發生汽蝕現象。
（3）解決方案
檢查容器底部破沫器和管線，清除異物；打開過濾器，清除堆積物或更換濾網；閥門全開。
2.基礎與管線
（1）典型現象
通常在試車時就表現泵體振動大，尤其是垂直方向振動大，進出口管線振動劇烈。
（2）原因分析
作為轉動設備，離心泵本身會有一定的振動，如果管線和泵體沒有固定好，這些微振會通過流體的流動由泵傳遞給管線，在管路系統剛度不夠的情況下，會發生一種結構共振。如泵的基礎重量太輕或固定不牢固，當泵本身的振動和基礎的振動頻率一致時，也可引起共振，形成劇烈的振動。
（3）解決方案
應檢查泵的基礎是否太輕、柔性是否太大，對地腳螺栓、管線固定處進行檢查、加固。如果泵的動平衡有問題，則是泵內結構性問題，則應進行改造或換泵。
3.轉子與殼體的同心度
（1）典型現象
通常在試車時就表現出泵振動大，泵的水平振動明顯大于垂直和軸向振動，且呈周期性波動。泵和管線的振動均以工頻為主，且存在較小的低次諧波成分。振值增大主要表現為工頻振幅值的增大。
（2）原因分析
泵的殼體受外力作用及其他因素的影響發生變形，造成轉子與殼體不同心。
（3）解決方案
檢查泵的入口法蘭與管線的對中性。調整管線設計，減少殼體受力。維修殼體使其與轉子對中。
三、離心泵結構問題
離心泵型式多樣，結構復雜，可能引起振動的因素有很多。這里僅就幾個典型現象進行分析。
1.轉子平衡性
（1）典型現象
泵前后測點水平方向的振值明顯大于垂直方向和軸向的振值。振動頻譜顯示，各測點均以轉子工頻占絕對優勢，同時存在很小的高次諧波和通過頻率。
（2）原因分析
泵轉子不平衡的影響因素，包括轉子系統的質量偏心及轉子部件的缺損。轉子質量偏心是由于轉子的制造誤差、裝配誤差、材質不均勻等原因造成的，此為初始不平衡。初始不平衡主要來源于設計、制造和安裝等環節；轉子部件缺損是指轉子在運行中，由于腐蝕、磨損、介質結垢及轉子受疲勞力的作用，使轉子的零部件局部損壞、脫落等造成的。當輸送油漿等重組分時，介質很容易在泵轉子上結焦或結垢，從而造成轉子的不平衡。
（3）解決方案
如果泵投用初期運行正常，運行一段時間后第6期劉紅云等．離心泵振動原因分析和解決方案各測點的振值則呈現上升趨勢。這種情況，大多為轉子結垢所致，應開泵檢查，清理結垢。
如果試運時泵振動大，說明泵轉子有初始不平衡，應由泵廠進一步檢查、改造。
2.葉輪
（1）典型現象
在帶負荷試車時，無論是小流量工況還是滿負荷運行，泵的進出口管線均表現很大的振動。振動為時大時小，呈間歇性。泵的進出口管線壓力表和出口流量表指針擺幅大。通過聽棒聽到的管道中流體聲不均勻、不穩定。降低揚程，情況沒有改變。采用壓力傳感器直接對管道中的流體進行壓力脈動測試，可發現流體壓力脈動不均勻度過高。
（2）原因分析
該振動不是機械振動的傳遞，而是流體壓力脈動的結果。脈動流遇到管線的直角彎頭時，流體對轉彎處管壁產生很大的力。當流體遇到閥門或變截面管等收縮的地方，也會產生很大的流體沖擊力。
流體壓力脈動會引起管道中流量的脈動變化。流體壓力脈動來源于泵的設計。為了降低葉片泵導葉上產生的不穩定力，必須使葉輪葉片數和導葉葉片數互為質數。如果他們之間有公約數，會使流出葉輪葉道各出口點處的流速和壓力很不均勻，流體沖擊在導葉上，將產生一個較強的交變作用力。另外，葉輪出口處不均勻的流速在導葉上形成較嚴重的邊界層和分離漩渦，會導致流體流出泵以后產生壓力脈動。
（3）解決方案
應對泵的轉子和靜子部件進行改造。如改變葉輪葉片數，使葉輪葉片數和導葉葉片數互為質數。精心設計流道的各個部分，從根本上消除流體的壓力脈動。另外，軸承和滾珠等部位磨損應及時處理。
3.臨界轉速
（1）典型現象
多發生在多級泵上。剛投用時，泵本身的振動幅度大。平衡盤、平衡套、密封環經常嚴重磨損，軸彎、密封泄漏等故障經常發生。
（2）原因分析
濕態臨界轉速與實際運行轉速接近時，泵極易產生共振。臨界轉速與泵軸設計有很大關系。泵軸的長度過長，長徑比偏大，抗干擾能力差。在外力矩的作用下，泵軸很容易發生彎曲，導致口環上、下間隙不均勻，產生振動。
（3）解決方案
加粗軸徑，盡量減少級數，使動平衡結構更加合理，保證濕態臨界轉速遠離實際運行轉速。泵出廠前應在工作轉速下進行動平衡試驗。
案例
某廠重整汽油分餾塔底泵，工藝包設計正常流量為460m／h，介質為C汽油餾分，溫度190℃，計算裝置有效汽蝕余量7.8m。采用國產單級雙吸上進上出泵，揚程280m，轉速2985r／min，必須汽蝕余量4.9m，最小流量210m／h。流程見圖1。
該泵的進出口管線在操作初期就有很大振動，泵腔有噼噼啪啪的噪音。將管線加固后，振動和噪音仍然很大，而且流量越大振動和噪音也越大。泵入口壓力表一直有大幅的抖動(0.18MPa±0.04MPa)，出口壓力表抖動頻繁(2.0MPa±0.2MPa)。經過計算和現場拆泵檢查可以排除汽蝕余量不足的可能性。檢查泵入口管線，也沒有阻塞現象。
由于該泵的介質為塔底飽和液體，為了避免流體在管線流動過程中產生氣泡，對泵的人出口管線進行了改造，減少了彎頭數量，使用同徑過濾器，取消了緊急切斷閥，同時為了減少液體中夾帶的氣泡，將重沸爐返回口上移1m，并在泵的入出口均增加了排空線。改造后測試發現仍然不能消除振動和噪音。
根據API標準規定，泵廠最后對該泵進行了特殊處理，加工特殊的泵體密封環，減小了葉輪吸入口的面積，從而降低了葉輪旋轉過程中介質與泵渦殼隔舌之問產生的沖擊量能。這樣，一方面可以減小泵體本身的振動，另一方面可以降低泵出口流體與出口管線之間產生的沖擊力，減小出口管線與泵發生共振的可能性。
泵安裝到位后，測試表明在低流量下泵腔沒有噪音，泵和管線的振動都小于規定值。但當流量提高到380m／h以上時，泵入口會突然失壓，出現汽蝕現象。根據該情況，調整塔系統的操作參數，一方面可以滿足生產要求，另一方面可降低泵的工作流量，使之能在正常運行的范圍內操作。同時在塔的重沸爐返回口增設分流器，進一步提高氣液分離效率，為泵提供更好的操作環境。
經過一系列整改，目前該泵的運行穩定。該廠抽余液塔底泵為同樣型號，開工介質為C8芳烴，正常介質為C10芳烴。流程見圖2。
該泵開工初期為60％(大于最小回流量)負荷操作，泵的脈沖噪音和進出口管線振動都很大，泵出口壓力表隨聲音頻率小幅抖動。清洗過濾器并加固管線后人口管線振動減小，但出口管線振動仍然沒有改善，而且泵底座振動明顯。分析有效汽蝕余量和氣液分離都不存在問題。調整流程，打開回流，加大泵的流量，使之在額定流量下操作，此時噪音和振動都恢復正常值。
同樣型號的泵在不同位置表現不一樣：一臺是流量高振動，另一臺是流量低振動。根據現象和工期采用不同的方式來消除振動，滿足正常生產的要求。四臺泵均為高能泵，理論上易產生振動，制造時要采取特殊的處理措施。由此總結出，對于圖1這種流程，一般去重沸爐的流量大、揚程低，而去下游的流量小、揚程高，可考慮分成重沸爐泵和產品泵兩個臺位，既可以節能也可以降低泵的能級，減少振動和噪音。對于塔底泵應盡量選用低轉速的泵，可降低噪音和振動。本文主要為您介紹了離心泵振動原因分析和解決方案