淺析離心泵振動的原因及防治措施

文/程蕾 王輝 劉航泊

影響離心泵安全穩(wěn)定運行的重要因素分析——本文分別從偏工況運行、葉輪與蝸殼的匹配關(guān)系、轉(zhuǎn)子平衡、軸系結(jié)構(gòu)和機座基礎(chǔ)強度等方面入手，對離心泵振動超標(biāo)的原因進行分析，并提出了相應(yīng)的防治措施。

泵作為一種重要的能量轉(zhuǎn)換裝置和流體輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空航天、核電站、城市供水、石油化工和船舶等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。在一些重要場合，泵機組出現(xiàn)故障后，會帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。由泵振動超標(biāo)引發(fā)的故障在其中占了很大的比重，已成為影響離心泵安全穩(wěn)定運行的重要因素。

振動級別的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

在實際工程應(yīng)用中，離心泵振動的評判標(biāo)準(zhǔn)主要采用GB/T29531。近年來，隨著API610 的適用性擴大，各化工設(shè)計院多采用此標(biāo)準(zhǔn)中對離心泵振動的要求來考核供應(yīng)商，其具體要求如表1所示。

離心泵產(chǎn)生振動的原因

泵偏離工況點運行

泵運行工況點是由泵特性曲線 H-Q 和裝置特性曲線 HZ-Q共同決定的。兩條的交點M即是泵的運行工況點，如圖1所示。

表 1 離心泵常用振動測量標(biāo)準(zhǔn)

1.大流量工況下對泵振動的影響

在裝置特性曲線 HZ-Q 不變的情況下，泵的運行工況點在M點，流量為QM，揚程為HM。當(dāng)期望揚程增加到HA時，泵的特性曲線上移成H1-Q1時，工況點也從M點變成B點，此時工況點流量變成QB，揚程變成HB，此時流量和揚程分別增加了ΔQ1和ΔH1。泵的實際運行工況點偏移到大流量點，泵內(nèi)流速增加，流阻損失也隨之增加，造成泵體內(nèi)部流動不穩(wěn)定，容易引起進口管路中的壓力脈動，引發(fā)振動。此外，還可能發(fā)生電機超載，導(dǎo)致泵壽命縮短。

2.小流量工況下對泵振動的影響

當(dāng)揚程降低到HC時，泵的特性曲線降為H2-Q2時，工況點也從M點變成D點，此時工況點流量變成QD，揚程變成HD，此時流量和揚程分別減小了ΔQ2和ΔH2。長時間在小流量點運行，流速降低，介質(zhì)在進口管路和葉輪進口處產(chǎn)生回流和預(yù)旋，導(dǎo)致泵的出口壓力出現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為喘振，會導(dǎo)致泵的振動明顯增大。

圖 1 離心泵運行工況點示意圖

葉片與蝸殼間隙對泵振動的影響

葉輪葉片與蝸殼之間的徑向間隙值過小也可能是引起振動超標(biāo)的主要原因之一。國外將這種現(xiàn)象稱為“葉片流道綜合征(Vane passing syndrome)”。當(dāng)介質(zhì)流過該小通道時，液體的流速升高，液體壓力下降，當(dāng)液體壓力降低至汽化壓力以下時，液體發(fā)生局部汽化，產(chǎn)生氣泡，氣泡在高壓下破裂，導(dǎo)致喉部發(fā)生汽蝕，引起泵的振動。

轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動

當(dāng)泵機組運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子總是圍繞自己重心所在的軸線旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子重心和回轉(zhuǎn)中心不重合時，就會產(chǎn)生偏心質(zhì)量。在高速旋轉(zhuǎn)的過程中，即使是很小的質(zhì)量偏心，也會產(chǎn)生很大的偏心力，該偏心力作用于支撐軸承上，誘發(fā)軸承部位的振動。此外，轉(zhuǎn)子不平衡還會造成口環(huán)間磨損加劇，使得口環(huán)間隙增大，葉輪出口處的高壓液體經(jīng)過間隙，回流到泵進口的低壓區(qū)，造成葉輪進口處介質(zhì)流態(tài)穩(wěn)定性變差，引起振動。

泵軸的剛性不足引起的振動

泵軸的作用是傳遞動力，支撐并帶動葉輪旋轉(zhuǎn)。泵軸的剛性不足，會導(dǎo)致其臨界轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速數(shù)值等于轉(zhuǎn)子固有頻率的轉(zhuǎn)速時，在運行過程中會產(chǎn)生共振，并且軸的彎曲度明顯增大，致使轉(zhuǎn)子重心與回轉(zhuǎn)中心不重合，引發(fā)振動。

軸承原因引發(fā)的振動

軸承是機泵設(shè)備的重要部件，在設(shè)備運行過程中一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，起著連接固定件與轉(zhuǎn)動件的作用。軸承潤滑油選型不當(dāng)、變質(zhì)、雜質(zhì)含量超標(biāo)及潤滑管路不暢導(dǎo)致的潤滑故障，會造成軸承工況惡化，引起振動；軸承安裝或冷卻方式不當(dāng)，會影響軸承游隙，誘發(fā)機組振動。

機座基礎(chǔ)強度不足引起的振動

在化工流程泵中，連接管路一般都是鋼制管路，其產(chǎn)生的應(yīng)力都會作用在泵的基礎(chǔ)上，如果機座的基礎(chǔ)強度不夠，當(dāng)支撐基礎(chǔ)的固有頻率接近機組的運行轉(zhuǎn)速時，會產(chǎn)生基礎(chǔ)共振，引起泵機組振動。此外，通常情況下泵座與底板之間采用螺栓連接，螺栓的強度不夠或者螺栓松動，也會引起振動。

機組同軸度不良產(chǎn)生振動

電機通過聯(lián)軸器將動力傳入泵轉(zhuǎn)子部件上帶動其旋轉(zhuǎn)。在裝配過程中對電機和泵的同軸度有嚴(yán)格的精度要求，軸與電機聯(lián)軸器安裝止口配合間隙過大，導(dǎo)致電機軸與泵軸不對中，會破壞聯(lián)軸器工作的平衡狀態(tài)，引起機組振動。

防治措施

1.API610中規(guī)定，最佳效率點流量的70%～120%為泵的允許工作區(qū)，在泵選型過程中，嚴(yán)格參照泵的性能曲線進行選型，使泵的工況點盡量處于最優(yōu)工況區(qū)，避免選型不當(dāng)造成泵運轉(zhuǎn)過程中因長時間偏工況運行引起的振動；當(dāng)用戶現(xiàn)場的工況發(fā)生改變時，通過切割葉輪外徑（圖2）改變泵特性曲線，在泵的出口管路安裝調(diào)節(jié)閥（圖 3）改變裝置特性曲線等方法，調(diào)節(jié)泵的工況點。

2.泵體蝸室多為螺旋形壓出室，隔舌與葉輪出口的徑向間隙是影響振動特征的一個重要參數(shù)。葉輪與隔舌間隙δ的計算公式如下：

圖2 改變?nèi)~輪外徑

圖3 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)

其中D'2—切割后葉輪直徑mm；

D3—壓水室基圓直徑mm。

隨著徑向間隙的增加，泵內(nèi)的壓力脈動幅值先急劇下降，至脈動幅值的 4%后緩慢降低。但是由于間隙過大會使泵效率下降，因此需要通過計算分析，尋找一個較優(yōu)的間隙值區(qū)間，在泵的效率損失不大的條件下，保證壓力脈動幅值的降低，減小振動。

3.為防止因泵軸彎曲造成的轉(zhuǎn)子不平衡，在機組長時間停機運行的情況下定期盤車檢查，每次將軸沿同一方向旋轉(zhuǎn)120°；此外由于葉輪的鑄造、加工制造等誤差，也會造成轉(zhuǎn)子不平衡量增大，為防止葉輪不平衡量過大產(chǎn)生振動，對泵的轉(zhuǎn)子部件按GB/T9239.1 G2.5級做動平衡試驗，通過切削葉輪的前后蓋板達到平衡葉輪的目的，切削量不得超過蓋板厚度的1/3。

4.轉(zhuǎn)子剛性對于防治振動和提高泵的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性非常重要，其中很重要的一點是提高軸的剛性。為此，西安泵閥總廠有限公司專門申請了一項專利—提高懸臂式離心泵轉(zhuǎn)子剛性的結(jié)構(gòu)（如圖 4）。通過該專利的實施，軸的剛性至少可以提高 20%以上。同時也解決了傳統(tǒng)懸臂式離心泵由于軸系剛性差導(dǎo)致的軸封壽命短，甚至出現(xiàn)共振現(xiàn)象，嚴(yán)重時造成破壞性事故的問題。

如圖4所示，API610 2010版的資料性附錄K中軸系的對撓性指數(shù)ISF用公式(2)定義為

5.定期檢查軸承的運轉(zhuǎn)情況是否良好，及時更換有損傷的軸承；合理的選擇潤滑劑和潤滑方法，定期更換潤滑劑改善軸承密封裝置，避免因潤滑不當(dāng)造成軸承損壞，進而引發(fā)振動；軸承的冷卻應(yīng)該采用冷卻油池而不是冷卻軸承外環(huán)，冷卻軸承外環(huán)會減小軸承的內(nèi)間隙，導(dǎo)致軸承故障。

圖4 懸臂式離心泵轉(zhuǎn)子剛性的結(jié)構(gòu)

圖5 聯(lián)合焊接底座的形式

6.采用聯(lián)合焊接底座的形式（如圖 5）以提高底座的強度，底座的結(jié)構(gòu)尺寸滿足 API610 附錄 D中標(biāo)準(zhǔn)底座的尺寸。與 API 標(biāo)準(zhǔn)底座相比，機座基礎(chǔ)由原來的泵座、底座分離式結(jié)構(gòu)優(yōu)化成整體式結(jié)構(gòu)，避免因連接螺栓強度不足導(dǎo)致的振動。

7.調(diào)整機組的同軸度，用千分尺測量聯(lián)軸器的軸向和徑向跳動。軸向最大允差控制在0.05 mm的范圍內(nèi)，徑向最大允差控制在0.1 mm的范圍內(nèi)。此外，聯(lián)軸器端面之間應(yīng)留有所要求的間隙以保證兩軸在運轉(zhuǎn)過程中做限定的軸向移動。

結(jié)束語

綜上所述，造成泵振動的原因是多方面的，它與設(shè)備的選型、設(shè)計以及安裝工藝等都有很大的關(guān)系。在很多情況下，其實可以通過提高對水力的設(shè)計、加工和安裝質(zhì)量，將機組振動控制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)，保證裝置長期安全的運行。