离心泵振动原因分析和解决方案.pdf

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1、2 0 0 9年 6月 炼油技术与工程 P E T R O L E U M R E F I N E R Y E N G I N E E R I N G 第 3 9卷第6期 离心泵振动原 因分析和解决方案 刘红云卢捍卫 中国石化集团洛阳石油化工工程公司(河南省洛阳市 4 7 1 0 0 3)摘要：分析了离心泵的振动原因，如汽蚀余量不够、操作流量过低、轻组分分离不彻底、泵人15 管道阻塞、泵的 流道设计不合理、泵叶轮设计不合理、泵轴不对称、泵体固定不好等。提出了整改方案，如抬高入口测液面高度、减 少入 口管线和管件的当量长度，增 加最小 回流线、稳定操作、清理管道 内异物、改善泵 内结构设计、泵体

2、加固等。关键词：离心泵振动汽蚀阻塞结构设计 离心泵是炼 油化工企业 中经常用到 的动设 备，能否正常运行，直接关系到整个装置的安稳长 满优运转。由于泵的振动，每年检修都要投入大 量的人力物力。既耗时耗力，又存在很大 的安全 隐患。本文对泵振动现象、原因和解决方案进行 探讨。1 工艺参数 1 1 汽蚀余量 1 1 1 典型现象 泵内有噼噼啪啪的声音。泵体尤其是进 口处 振动大。严重时，流量和出 口压力波动大，流动不 连续，出口管线振动并可能伴有水锤的声音，最后 会使出 口压力表指示为零，出13流量计指示为零。泵 内叶轮有坑坑洼洼 的痕迹，甚至转子有磨损。对于流体为饱和态液体的泵，在液体 为过冷

3、态试运时可能没有该现象，一旦介质温度达到饱 和温度，则振动和噪音明显。1 1 2 原 因分析 系统的有效汽蚀余量不足，造成泵人 口压力 低于介质的饱和蒸气压，介质汽化，同时还有溶解 在液体里的气体逸出，形成 大量气泡。气泡在叶 轮的外侧高压处迅速萎缩、凝结，形成真空 区，气 泡周围的液体迅速冲人，形成强大的局部高频高 压水击，造成压力波动，并伴有撞击的声音。气泡 凝结时产生局部高温，金属表面因疲劳而产生剥 蚀。情况严重时，大量气体聚集在叶轮周围，阻塞 流道，使泵 内液体流动的连续性遭到破坏，最后液 流中断，造成泵抽空，产生汽蚀现象 。由于流量的断断续续，造成 了泵 的强烈振动，转子和泵体产生摩

4、擦，最终损坏，无法运行。1 1 3 解决方案(1)增加系统的有效汽蚀余量 如果是饱和态液体，通过提高泵入 口液 面高 度；减少人 口管件，如弯头，阀门等；缩短管线长 度；异径三通改为同径三通；改进流体流道；均可 有效提高装置的有效汽蚀余量。将饱和态液体冷却成过冷态，也很 有效。但 该方案在需要热进料时，会增加能耗。如果是过冷态液体，除了使用同饱和态液体 一样的方法外，还可 以通过提高人 口侧容器 的压 力来增加装置的有效汽蚀余量。(2)降低泵的必须汽蚀余量 泵的必须汽蚀余量是泵体本身固有的性能。只有通过改变泵的内部结构才能实现。如在泵 的 吸人口加诱导轮等。泵的内漏、高温高压的介质 由出 口回

5、流到泵 的入 口处，也可 以引起汽蚀。如果是由泵 的内漏引起的汽蚀，可通过减小 口环间隙来解决。另外，在允许降低扬程的情况下，给泵的电机 增设变频调速器，降低电机转速，可以减小叶轮入 口处液流的相对速度，从而降低泵的必须汽蚀余 量。该方案不仅可以降低泵的必须汽蚀余量，还 收稿 13 期：2 0 0 9 0 1一l 9。作者简介：刘红云，高级 工程师，1 9 9 7年毕 业于南 京化 工大 学化学工程专业，工学硕士，主要从事催化重整、芳烃抽 提及 对二 甲苯装置的工程设计工作。电话：0 3 7 96 4 8 8 5 2 8 5 第 6期 刘红云等 离心泵振动原因分析和解决方案 可 以节能降耗。1

6、 2介质流量 1 2 1 典型现象 泵在设计流量下运行时，振动不超标，随着流 量的大幅降低或提高，泵的两端轴承及 出口管线 振动强烈。泵体内会发出往复机似的噪音。流量 正常时，振动和噪音也恢复正常。泵体，尤其是 内侧轴承座水平方向的振动明显 大于垂直和轴向振动的增大值。长时间运行，泵内 叶轮、平衡盘、级间衬套、中段等会磨损。对单级双 吸泵，轴向的高频振动使轴承损坏、叶轮 口环成对 称偏磨，泵体 口环偏磨，严重时将导致轴承断裂。1 2 2原 因分析 任何一台离心泵都有一个最佳工作范围，体 现在泵的性能曲线上。离心泵的振动随流量而变化，通常在最佳效 率点流量附近其值最小，并且随着流量的增大或 减小

7、而增加。从最佳效率点流量起，振动随流量 的变化取决于泵的能量密度、比转速及汽蚀 比转 速。通常，振动的变化量随能量密度、比转速及汽 蚀 比转速的增加而增加。离心泵除了有在性能曲线上标注的最小连续 流量外，还有一个最小连续热流量。泵在小 流量 条件下运行时，部分液体的能量转变为热能，使进 口 处液体的温度升高，当液体温度使有效汽蚀余 量等于或小于泵必须汽蚀余量时，就会产生汽蚀 现象。在正常流量下，泵本身的 自动平衡盘能很好 平衡转子轴 向力。但流量过低 时，由于轴 向力 的 增大，自动平衡盘就不能将转子的轴向力平衡掉，使转子受 到一个指 向叶轮人 口方 向的轴 向作 用 力，造成转子向前窜动，转

8、子、平衡盘等部件严重 磨损。轴向介质 的人 口冲角与转子 叶片的安装角 偏差较大，也会产生冲击，引起强振。对单级双吸泵，当实际流量小于设计流量时，泵体内蜗壳的流道截面积显得过大，使 流体流动 速度减小，叶轮出口的绝对速度增加，且方 向发生 改变。这样，蜗壳内的液体与叶轮出口的液体相 遇时，因速度大小和方 向不 同而产生撞击，使得蜗 壳内液体压力不断增高，从而破坏了蜗壳内液体 流动压力的轴对称性。此外，由于蜗壳内压力分 布不均匀，壳内流体对流出叶轮的流体所起 的阻 碍作用也不 同，使得沿叶轮 四周 的液体给叶轮的 力和方 向也不同，引起偏振。I 2 3 解决方案 泵 的运行应处于优先工作 区。此

9、工作区位于 所提供叶轮的最佳效率点流量 的 7 0 一1 2 0 区 间内。额定流量点应当位于所提供叶轮最佳效率 点流量的 8 0 1 1 0 区间内 J。如果无法避免小流量操作工况，可从泵 出 口 引一条最小 回流线，到泵人 口的容器 内。如果是 饱和态液体，应注意返 回线不可直接接到泵 的人 口处，以免过热的出 口介质加热入 口介质，引起汽 蚀。但回流的介质使泵做了无用功，增加 了装置 能耗。也可以在保持蜗壳不变 的情况下，通过改变 叶轮参数来改变泵的输出流量。通过对 叶轮的进 出口角度进行修 改，可减小作用在叶轮上的径 向 力，减小振动。1 3 介质组成 1 3 1 典型现象 在开工初期

10、，尤其是有加热炉加热的塔底泵，介质为饱和态液体，调试时，泵内有噼噼啪啪的声 音，泵体振幅大，犹如汽蚀现象发生。随着操作参 数调整到位，该现象会逐渐消失。1 3 2原因分析 开工初期，操作条件不稳定，塔釜介质中包含 有部分轻于设计值的轻组分。在开工过程中由于 加热炉升温速度过快，使介质 出现了过加热现象。这些热量在塔釜 内没有充分释放，随流体进入泵 内，在泵腔的低压处使轻组分汽化，形成汽蚀现象。1 3 3 解决方案 调整参数时，重沸炉的升温速度应缓慢，泵的 流量应控制在低负荷下操作。待塔釜中的介质组 成接 近设计值 时，再逐 渐加大 泵负荷 到正 常操 作点。1 4 液体停留时间 1 4 1 典

11、型现象 容器 内压力和液位都很稳定，但泵 内有噼噼 啪啪的声音，泵体振幅大。随着流量的增大，泵人 口压力有下降趋势，直到泵发生汽蚀现象。该现 象多发生在泵人口容器有气液两相物流进入时。1 4 2 原 因分析 气液两相流进入容器时，都需要一个分离时 间，才能使气体从液体中彻底分离出来。液体的 停留时间，通常大 于 1 rai n。如 果液面 比较低，当 炼油技术与工程 2 0 0 9年第 3 9卷 物流直接对准出口破沫器冲下，会形成物流短路，造成局部物流的停 留时间缩短。如果停留时间不 够，则气泡来不及从液体 中逃逸，会随液体一起进 入泵腔。随着流速的增加，裹夹的气泡量增加，管 路系统压力降增加

12、。当泵人 口压力低到饱和蒸气 压时，会发生汽蚀现象。当容器内液位高于两相流体的人 口管时，冲 人的流体对容器内液体起了搅拌混合作用，形成 泡沫，造成假液位，通常看到玻璃板液位计的液面 很稳定，但实际上泡沫层 已经很 高。这种现象 多 发生在易起泡的体系。1 4 3 解决方案 提高容器的液面高度，增加停留时间，通常是 有效的解决方案。在两相流人 口增加导流器，可 以提高气液分离的效率，减少气泡夹带，同时避免 流体直接对容器 出口破沫器 冲击，也可以避免该 现象的发生。操作时应避免容器 内液位超过两相 流人 口管 的下部。2 施工 问题 2 1 管路 2 1 1 典型现象 在系统有效汽蚀余量足够时

13、，泵入 口压力异 常。管路压力降比理论计算值高得多，泵有汽蚀 现象。2 1 2 原 因分析 人 口容器 的破沫器、过滤器、管道等被异物阻 塞，阀门未全开，均可以使管路压力降增大。介质 到泵人 口处的压力 已经小于或等于介质的饱和蒸 气压，造成介质汽化，发生汽蚀现象。2 1 3 解决方案 检查容器底部破沫器和管线，清除异物；打开 过滤器，清除堆积物或更换滤网；阀门全开。2 2 基础与管线 2 2 1 典型现象 通常在试车时就表现泵体振动大，尤其是垂 直方向振动大，进 出口管线振动剧烈。2 2 2原 因分析 作为转动设备，离心泵本身会有一定的振动，如果管线和泵体没有 固定好，这些微振会通过流 体的

14、流动由泵传递给管线，在管路系统 刚度不够 的情况下，会发生一种结构共振。如泵 的基础重量太轻或 固定不牢固，当泵本 身的振动和基础的振动频率一致时，也可引起共 振，形成剧烈 的振动。2 2 3解决方案 应检查泵的基础是否太轻、柔性是否太大，对 地脚螺栓、管线固定处进行检查、加 固。如果泵的 动平衡有 问题，则是泵 内结构性 问题，则应进行改 造或换泵。2 3 转子与壳体的同心度 2 3 1 典型现象 通常在试车时就表现 出泵振动大，泵 的水平 振动明显大于垂直和轴 向振动，且呈周期性波动。泵和管线的振动均以工频 为主，且存在较小 的低 次谐波成分。振值增大主要表现为工频振幅值的 增大。2 3

15、2 原 因分析 泵的壳体受外力作用及其他因素的影响发生 变形，造成转子与壳体不 同心。2 3 3 解决方案 检查泵的入 口法兰与管线的对 中性。调整管 线设计，减少壳体受力。维修壳体使其与转子对中。3 离心泵结构问题 离心泵型式多样，结构复杂，可能引起振动的 因素有很多。这里仅就几个典型现象进行分析。3 1 转子平衡性 3 1 1 典型现象、泵前后测点水平方向的振值明显大于垂直方 向和轴向的振值。振动频谱显示，各测点均 以转 子工频 占绝对优势，同时存在很小的高次谐波和 通过频率。3 1 2 原因分析 泵转子不平衡 的影 响因素，包括转子系统 的 质量偏心及转子部件的缺损。转子质量偏心是 由

16、于转子的制造误差、装配误差、材质不均匀等原 因 造成的，此为初始不平衡。初始不平衡 主要来源 于设计、制造和安装等环节；转子部件缺损是指转 子在运行中，由于腐蚀、磨损、介质结垢及转子受 疲劳力的作用，使转子的零部件局部损坏、脱落等 造成的。当输送油浆等重组分时，介质很容易在泵转 子上结焦或结垢，从而造成转子的不平衡。3 1 3 解决方案 如果泵投用初期运行正常，运行一段 时间后 第 6 期 刘红云等 离心泵振动原因分析和解决方案 各测点 的振 值则呈现上升趋势。这种情况，大多 为转子结垢所致，应开泵检查，清理结垢。如果试运时泵振动大，说明泵转子有初始不 平衡，应 由泵厂进一步检查、改造。3 2

17、叶轮 3 2 1 典型现象 在带负荷试车时，无论是小流量工况还是满 负荷运行，泵的进 出口管线均表现很大 的振 动。振动为时大时小，呈间歇性。泵 的进 出 口管线压 力表和出口流量表指针摆幅大。通过听棒听到的 管道中流体声不均匀、不稳定。降低扬程，情况没 有改变。采用压力传感器直接对管道中的流体进 行压力脉动测试，可发现流体压力脉动不均匀度 过高。3 2 2 原 因分析 该振动不是机械振动的传递，而是流体压力 脉动的结果。脉动流遇到管线的直角弯头时，流 体对转弯处管壁产生很大的力。当流体遇到阀门 或变截面管等收缩 的地方，也会产生很 大的流体 冲击力。流体压力脉动会引起管道中流量的脉动 变化。

18、流体压力脉动来源于泵的设计。为了降低叶 片泵导叶上产生 的不稳定力，必须使 叶轮 叶片数 和导叶叶片数互 为质数。如果 他们之 间有 公约 数，会使流出叶轮叶道各出口点处的流速和压力 很不均匀，流体 冲击在导叶上，将产生一个较强 的 交变作用力。另外，叶轮出 口处不均匀 的流速在 导叶上形成较严重的边 界层 和分离漩涡，会导致 流体流出泵以后产生压力脉动 J。3 2 3解决方案 应对泵的转子和静子部件进行改造。如改变 叶轮叶片数，使叶轮叶片数 和导 叶叶片数互 为质 数。精心设计流道 的各个部分，从根本上消除流 体 的压力脉动。另外，轴承和滚珠等部位磨损应及时处理。3 3 临界转速 3 3 1

19、 典型现象 多发生在多级泵上。刚投用时，泵本身的振 动幅度大。平衡盘、平衡套、密封环经常严重磨 损，轴弯、密封泄漏等故障经常发生。3 3 2 原因分析 湿态临界转 速与实际运行转速接 近时，泵极 易产生共振。临界转速与泵轴设计有很大关系。泵轴的长度过长，长径比偏大，抗干扰能力差。在 外力矩的作用下，泵轴很容易发生弯曲，导致口环 上、下间隙不均匀，产生振动。3 3 3 解决方案 加粗轴径，尽量减少级数，使动平衡结构更加 合理，保证湿态临界转速远离实际运行 转速。泵 出厂前应在工作转速下进行动平衡试验。4 案例 某厂重整汽油分馏 塔底泵，工艺包设计正常 流量为 4 6 0 m h，介质为 C 汽油

20、馏分，温度 1 9 0 ，计算装置有效汽蚀余量7 8 m。采用国产单级 双吸上进上出泵，扬程 2 8 0 m，转速2 9 8 5 r mi n，必 须汽蚀余量4 9 I13，最小流量 2 1 0 m h。流程见 图 1 至白土塔 图 1 重整汽油分馏塔底 泵流程 F i g 1 P r o c e s s f l o w d i a g r a n o f r e f o r ma t e f r a c t i o n a t i o n t o w e r b o t t o m p u mp s 该泵 的进 出 口管线在操作 初期就有 很大振 动，泵腔有噼噼啪啪的噪音。将管线加固后，振动

21、 和噪音仍然很大，而且流量越大振动和噪音也越 大。泵 入 口 压 力 表 一 直 有 大 幅 的 抖 动(0 1 8 MP a 0 0 4 M P a)，出 口压 力 表 抖 动 频 繁(2 0 MP a0 2 MP a)。经过计算 和现场拆泵检 查可以排除汽蚀余量不足的可能性。检查泵入口 管线，也没有阻塞现象。由于该泵 的介质为塔底 饱和液体，为了避免流体在管线流动过程中产生 气泡，对泵 的人 出口管线进行 了改造，减少 了弯头 数量，使用同径过滤器，取消了紧急切断阀，同时 为了减少液体中夹带的气泡，将重沸炉返回口上 移 1 m，并在泵 的入 出 口均增加 了排空线。改造 后测试发现仍然不能

22、消除振动和噪音。根据 A P I 标准规定，泵厂最后对该泵进行了特殊处理，加工 特殊的泵体密封环，减小了叶轮吸入 口的面积，从 炼油技术与工程 2 0 0 9年第 3 9卷 而降低了叶轮旋转过程中介质与泵涡壳隔舌之问 产生的冲击量能。这样，一方面可以减小泵体本 身的振动，另一方面可 以降低泵出 口流体 与出口 管线之间产生的冲击力，减小 出口管线 与泵发生 共振的可能性。泵安装到位后，测试 表明在低流 量下泵腔没有噪音，泵和管线的振动都小于规定 值。但当流量提高到 3 8 0 m h以上时，泵入口 会突然失压，出现汽蚀现象。根据该情况，调整塔 系统的操作参数，一方面可以满足生产要求，另一 方面

23、可降低泵的工作 流量，使之能在正常运行 的 范围内操作。同时在塔的重沸炉返 回口增设分流 器，进一步提高气液分离效率，为泵提供更好的操 作环境。经过一系列整改，目前该泵 的运行稳定。该厂抽余液塔底泵为同样型号，开工介质为 c 芳烃，正常介质为 C 。芳烃。流程见图 2。图 2 抽余液塔底泵流 程 Fi g 2 P r o c e s s flo w di a g r a m o f r a f fin a t e c o l u mn b o t t o m p u mp s 该泵开工初期为 6 0 (大于最小 回流量)负 荷操作，泵的脉冲噪音和进出口管线振动都很大，泵 出口压力表随声音频率小

24、幅抖动。清洗过滤器 并加固管线后人 口管线振动减小，但 出口管线振 动仍然没有改善，而且泵底座振动 明显。分析有 效汽蚀余量和气液分离都不存在问题。调整流程，打开回流，加大泵的流量，使之在额定流量下操作，此时噪音和振动都恢复正常值。同样型号的泵在不同位置表现不一样：一 台 是流量高振动，另一 台是 流量低振 动。根据现象 和工期采用不同的方式来消除振动，满足正常生 产的要求。四台泵均为高能泵，理论上易产生振 动，制造时要采取特殊的处理措施。由此总结出，对于图 1 这种流程，一般去重沸炉的流量大、扬程 低，而去下游的流量小、扬程高，可考虑分成重沸 炉泵和产品泵两个台位，既可以节能也可以降低 泵

25、的能级，减少振动和噪音。对 于塔底泵应尽量 选用低转速 的泵，可降低噪音和振动。参考文献 1 关醒凡 泵 的理论与设计 M 北京：机械工 业 出版社 1 9 8 7：2 9 2 2 美国石油学会 石油、重化学和天然气工业用离心泵标准 S A P I 6 1 0：1 7 3 易超，朱铁光，胡学文，等 炼油企 业泵振 动故 障诊 断 J 石 油化工设备技术 2 0 0 6，2 7(2)：6 2-6 4 4沈庆根，顾超华，童水 光，等 原料 油进料 泵管线振 动故 障诊 断与治理 J 设备 管理与维修 1 9 9 7，1 4 9(3)，2 9 3 1 (编辑苏德 中)An a l y s i s o

26、 f c e n t r i f ug a l p ump v i br a t i o n a nd s o l ut i o n s Li u Ho ng y u n，Lu Ha nwe i S I N O P E C L u o y a n g P e t r o c h e m i c a l E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n(L u o y a n g 4 7 1 0 0 3，H e n a n，C h i n a)Abs t r a c t：Th e c a us e s o f c e n t r i f u g a l pu

27、 mp v i b r a t i o n a r e a n a l y z e d，s u c h a s i ns u ffic i e n t pu mp s u c t i o n h e i g h t，t o o l o w o p e r a t i n g fl o w r a t e，i n s u ffic i e n t l i g h t e n d s s e p a r a t i o n，b l o c k i n g o f p u mp i n l e t p i p e l i n e，i mp r o p-e r d e s i g n o f p u

28、mp fl o w pa s s a n d p ump i mp e l l e r v a n e，n o n s y mme t r y o f p u mp s h a f t a n d p o o r fix i n g o f p u mp b o d y，e t c T h e c o r r e c t i o n s a r e r e c o mme n d e d l i k e r a i s i n g t h e l i q u i d h e i g h t a t t h e s u c t i o n o f p u mp a n d r e d u c i

29、 n g l e n g t h s o f p u mp i n l e t p i p e l i n e s a n d p i p e fi t t i n g s，a d d i n g mi n i ma l f l o w r e c y c l e l i n e，c l e a n i n g o u t f o r e i g n ma t e r i-a l s i n th e p i p e l i n e，i m p r o v i n g i n t e r n a l c o n s t r u c ti o n d e s i g n o f p u m p s a n d c o n s o!i d a t i n g p u m p b o d y，e t c Ke y W o r ds：c e n t r i f u g a l p u mp，v i b r a t i o n，wa t e r h a mme r，b l o c k i n g，c o n s t r u c t i o n d e s i g n