基于輸油離心泵振動(dòng)分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

司先鋒

【摘要】在石油行業(yè)中，經(jīng)常采用離心泵對(duì)凈化原油或含水原油進(jìn)行外輸，該設(shè)備是否能正常運(yùn)行，直接關(guān)系到輸油站、轉(zhuǎn)油站的平穩(wěn)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。其進(jìn)出口的振動(dòng)現(xiàn)象是投產(chǎn)及生產(chǎn)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的故障。本文針對(duì)中俄原油管道漠河首站離心輸油泵投產(chǎn)初期試運(yùn)時(shí)出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)行了原因分析，并提出可行的改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終進(jìn)行了運(yùn)行驗(yàn)證，保證了該工程中輸油泵的正常運(yùn)行工況。

【關(guān)鍵詞】 離心泵 振動(dòng) 改進(jìn)

1 設(shè)計(jì)工況

中俄原油管道漠河—大慶段工程輸油首站位于黑龍江省漠河縣興安鎮(zhèn)附近的漠河首站，終于大慶市中南部的大慶末站。線路全長(zhǎng)926.55km。形成1500×104t/a的輸油能力。管道采用常溫密閉輸油工藝，管徑為φ813mm，設(shè)計(jì)壓力為8.0MPa，管道材質(zhì)選用L450級(jí)鋼。為滿足外輸流量、沿程熱力、水力損失，在首站設(shè)計(jì)4臺(tái)流量Q=2100m3/ h，H=360m輸油離心泵，其中運(yùn)行3臺(tái)，備用1臺(tái)，采用串聯(lián)升壓流程，升壓分為3級(jí)連續(xù)升壓，每級(jí)升壓為1.2MPa。工藝流程見圖1。

圖1 首站外輸泵工藝流程圖

從工藝流程圖中分析，輸油泵進(jìn)口管道為φ630×14，出口管道為φ530×14。

2 運(yùn)行狀況

按照?qǐng)D1工藝流程安裝運(yùn)行時(shí)，輸油離心泵出現(xiàn)下列運(yùn)行狀況。

（1）在空轉(zhuǎn)時(shí)，泵體振動(dòng)大，尤其是進(jìn)出口處，垂直方向比水平方向振動(dòng)大。出口管線并不時(shí)伴有水錘的聲音，最后會(huì)使出口壓力表指示為零。

（2）在設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)不超標(biāo)，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(dòng)劇烈。泵體內(nèi)發(fā)出象往復(fù)機(jī)似的噪音。流量正常時(shí)，振動(dòng)和噪音也恢復(fù)正常。

3 原因分析

3.1 離心泵基礎(chǔ)與管線

作為轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，離心泵本身會(huì)有一定的振動(dòng)，如果管線和泵體沒有固定好，這些微振會(huì)通過流體的流動(dòng)由泵傳遞給管線，在管路系統(tǒng)剛度不夠的情況下，會(huì)發(fā)生一種結(jié)構(gòu)共振。如泵的基礎(chǔ)重量太輕或固定不牢固，

圖2 泵進(jìn)出口加固示意圖

3.2 最佳工況點(diǎn)

任何離心泵都有一個(gè)最佳工況點(diǎn)，體現(xiàn)在泵的性能曲線上。在離心泵帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，泵的振動(dòng)隨流量而變化，通常在最佳效率點(diǎn)流量附近時(shí)振動(dòng)最小，并且隨著流量的波動(dòng)而增加。從最佳效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量算起，振動(dòng)的變化量隨能量密度、比轉(zhuǎn)速及汽蝕比轉(zhuǎn)速的增加而增加。泵在小流量條件下運(yùn)行時(shí)，部分液體的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽惯M(jìn)口處液體的溫度升高，當(dāng)液體溫度使有效汽蝕余量等于或小于泵必須汽蝕余量時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。

在正常流量下，泵本身的自動(dòng)平衡盤能很好平衡轉(zhuǎn)子軸向力。但流量過低時(shí)，由于軸向力的增大，自動(dòng)平衡盤就不能將轉(zhuǎn)子的軸向力平衡掉，使轉(zhuǎn)子受到一個(gè)指向葉輪入口方向的軸向作用力，造成轉(zhuǎn)子向前竄動(dòng)，轉(zhuǎn)子、平衡盤等部件嚴(yán)重磨損。軸向介質(zhì)的入口沖角與轉(zhuǎn)子葉片的安裝角偏差較大，也會(huì)產(chǎn)生沖擊，引起強(qiáng)振。此外，如果蝸殼內(nèi)壓力分布不均勻，殼內(nèi)流體對(duì)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，也會(huì)引起偏振。

3.2.1 改進(jìn)方案

校正軸向介質(zhì)的入口沖角與轉(zhuǎn)子葉片的安裝角偏差，使其在誤差范圍之內(nèi)。由廠家重新調(diào)整葉輪參數(shù)來改變泵的輸出流量；對(duì)葉輪的進(jìn)出口角度進(jìn)行修改，可減小作用在葉輪上的徑向力，減小振動(dòng)。最終滿足離心泵最佳效率點(diǎn)流量的80%～110%區(qū)間內(nèi)。

3.3 離心泵有效汽蝕余量

有效汽蝕余量是離心泵很重要的參數(shù)，如果有效汽蝕余量不足，就會(huì)造成泵入口壓力低于介質(zhì)的飽和蒸氣壓，介質(zhì)汽化，同時(shí)溶解在液體里的氣體還有逸出，形成大量氣泡。氣泡在葉輪的外側(cè)高壓處迅速萎縮、凝結(jié)，形成真空區(qū)，氣泡周圍的液體迅速?zèng)_入，形成強(qiáng)大的局部高頻水擊，造成壓力波動(dòng)，并伴有撞擊的聲音。氣泡凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生局部高溫，金屬表面因疲勞而產(chǎn)生剝蝕。情況嚴(yán)重時(shí)，大量氣體聚集在葉輪周圍，阻塞流道，使泵內(nèi)液體流動(dòng)的連續(xù)性遭到破壞，最后液流中斷，造成泵抽空，產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。由于流量的斷斷續(xù)續(xù)，造成了泵的強(qiáng)烈振動(dòng)，轉(zhuǎn)子和泵體產(chǎn)生摩擦，最終損壞，無(wú)法運(yùn)行。

3.3.1 改進(jìn)方案

將該工程中離心泵進(jìn)出口的異徑三通改為同徑三通，這樣可以通過提高泵入口處的壓力來增加裝置的有效汽蝕余量。

4 運(yùn)行驗(yàn)證

依據(jù)離心泵空運(yùn)轉(zhuǎn)和帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，及時(shí)分析原因，采用上述的改進(jìn)方案，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施改進(jìn)，從泵的內(nèi)因和外因改進(jìn)后，經(jīng)過驗(yàn)證得出，該工程中4臺(tái)離心泵運(yùn)行很平穩(wěn)，運(yùn)行噪音在允許范圍之內(nèi)，有力保證了該工程的輸油離心泵正常投產(chǎn)，同時(shí)也給工程人員帶來一個(gè)安靜舒適的工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 姬忠禮.泵與壓縮機(jī)[M].北京： 石油工業(yè)出版社出版，2008

[2] 美國(guó)石油學(xué)會(huì).石油、重化學(xué)和天然氣工業(yè)用離心泵標(biāo)準(zhǔn)，610：17

[3] 關(guān)醒凡.泵的理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987