分餾塔底重沸泵振動(dòng)原因分析及對策

周力

（中國石油化工股份有限公司長嶺分公司，湖南 岳陽 414012）

某公司2.4×106t/a 汽柴油加氫裝置分餾塔底重沸泵P204A/S 自其投運(yùn)以來，一直存在振動(dòng)超標(biāo)的問題，附屬管線振動(dòng)也較大。經(jīng)過測量，該泵最高振速達(dá)到11.3 mm/s，已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，存在極大的安全隱患。

兩臺泵屬于同一型號，均為單級雙吸兩端支承式泵，進(jìn)出口都是垂直向上，殼體徑向剖分，排出流道為雙渦室[1-2]。該泵的泵軸與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過一個(gè)膜片式聯(lián)軸器直接連接，泵的兩端軸承為深溝球軸承，潤滑方式為油霧潤滑。泵的軸承箱、支座以及機(jī)械密封通過循環(huán)水冷卻。底座由鋼筋混凝土完全固定在地面上，其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 機(jī)泵相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of the pump

1 振動(dòng)情況

由于兩臺泵的情況相似，均存在振動(dòng)超標(biāo)的問題，選取了其中一臺泵（S 泵）進(jìn)行分析和處理。按照GB/T 29531—2013《泵的振動(dòng)測量與評價(jià)方法》中的要求，使用測振儀器對該泵的電機(jī)兩端和泵體兩端軸承箱的水平、垂直及軸向三個(gè)方向進(jìn)行測量，測量位置示意圖如圖1 所示，測出的振動(dòng)烈度如表2 所示。從表2 中可以看出，電機(jī)的兩端振動(dòng)烈度非常低，最高只有0.6 mm/s，均處于正常狀態(tài)，而泵體兩端的振動(dòng)烈度都非常高，且主要表現(xiàn)為垂直方向的振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)端的垂直方向的振動(dòng)值為6.5 mm/s，非驅(qū)動(dòng)端的垂直方向的振動(dòng)值為11.3 mm/s。根據(jù)GB/T 29531—2013 的劃分和評級（見表3、表4），該泵屬于第二類泵，除了驅(qū)動(dòng)端的軸向振動(dòng)（3A）和非驅(qū)動(dòng)端的水平振動(dòng)（4H）外，其它各點(diǎn)的振動(dòng)烈度均位于D 區(qū)，已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，屬于不合格的級別。

2 原因分析及解決措施

2.1 原因分析

對該泵進(jìn)行振動(dòng)烈度檢測的同時(shí)，也對泵的振動(dòng)頻域和時(shí)域進(jìn)行了檢測[3]。選取了振動(dòng)烈度最大的兩個(gè)位置進(jìn)行分析，驅(qū)動(dòng)端垂直方向振動(dòng)（3V）的頻域圖和時(shí)域圖如圖2 所示，非驅(qū)動(dòng)端垂直方向振動(dòng)（4 V）的頻域圖和時(shí)域圖如圖3 所示。通過時(shí)域圖可以看出，3 V 位置和4 V 位置的時(shí)域圖都是典型的正弦波，波形較為光滑，周期性良好，但是振幅非常大，表現(xiàn)出明顯的動(dòng)不平衡特征。通過頻域圖可以看出，3 V 位置和4 V 位置出現(xiàn)最大振幅的頻率分別是99.26 Hz 和99.37 Hz，這也是產(chǎn)生振動(dòng)的主要頻率。該泵的轉(zhuǎn)速為1 495 r/min，對應(yīng)的工作頻率為24.58 Hz，可以發(fā)現(xiàn)該泵泵體兩端振動(dòng)的主要頻率正好是其工作頻率的4 倍，所以機(jī)泵的振動(dòng)主要是由于四倍頻引起的。通過查詢該泵的設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，該泵葉輪的葉片數(shù)為4 片，可知四倍頻正是葉片的通過頻率，也就是該泵表現(xiàn)出明顯的葉片通過頻率振動(dòng)，所以才會(huì)產(chǎn)生動(dòng)不平衡。該泵還存在一倍頻（工頻）振動(dòng)，由于一倍頻主要是由于轉(zhuǎn)子不平衡和偏角不對中引起的，但頻譜圖中，一倍頻雖然存在，振幅卻非常低，幾乎可以忽略不計(jì)，可以排除轉(zhuǎn)子不平衡這一因素[4-6]。頻譜圖中未發(fā)現(xiàn)二倍頻（工頻的兩倍）振動(dòng)，二倍頻振動(dòng)一般是由于對中不良造成的，可以排除電機(jī)轉(zhuǎn)軸與泵軸不對中這一因素。頻譜圖中還存在八倍頻、十二倍頻等高頻振動(dòng)，高頻振動(dòng)主要是由共振引起的，說明存在與葉輪通過頻率產(chǎn)生共振的部件，由于對應(yīng)的幅值較低，沒有進(jìn)一步進(jìn)行檢測。

表2 泵的振動(dòng)烈度Table 2 Vibration intensity of the pump

圖1 測量位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring position

表3 泵的轉(zhuǎn)速Table 3 Pump speed r·min-1

表4 評價(jià)泵的振動(dòng)級別Table 4 Evaluate the vibration level of the pump

針對該泵存在明顯的葉片通過頻率振動(dòng)，決定對該泵進(jìn)行拆解。測量了相關(guān)數(shù)據(jù)，測得該泵葉輪外緣的直徑為609 mm，蝸殼的內(nèi)徑為626 mm。按照泵的設(shè)計(jì)要求，一般蝸殼的內(nèi)徑為葉輪外緣直徑的1.03～1.08 倍，以使隔舌和葉輪間保持適度的間隙。這是因?yàn)?，間隙如果過小，容易因液流阻塞而引起噪聲和振動(dòng)，還可能在蝸殼隔舌處發(fā)生汽蝕；間隙增大，能減少葉輪外緣流體流動(dòng)的不均勻性，降低振動(dòng)和噪聲，提高效率[7-9]。但間隙過大，由于間隙處存在環(huán)流，消耗一定的能量，將使泵的效率降低。通過測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出，蝸殼的內(nèi)徑為葉輪外緣直徑的1.027 9 倍，該值小于1.03，由此可知，葉輪的直徑偏大，也就是蝸殼的隔舌與葉輪間的間隙偏小。另一方面，該泵輸送的是溫度高達(dá)300℃的介質(zhì)，泵由冷態(tài)到熱態(tài)，由于金屬的熱膨脹效應(yīng)，泵的葉輪會(huì)產(chǎn)生熱脹，就會(huì)導(dǎo)致間隙進(jìn)一步縮小。正是因?yàn)楦羯嗯c葉輪外緣的間隙偏小，使得隔舌與葉輪外緣之間的流體流動(dòng)不暢而形成激振，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，最終作用于泵體，產(chǎn)生較高的振動(dòng)；而高速旋轉(zhuǎn)的葉輪的葉片每經(jīng)過該處一次，就會(huì)激振一次，所以會(huì)表現(xiàn)出明顯的四倍頻振動(dòng)，也即葉片通過頻率振動(dòng)。

圖2 驅(qū)動(dòng)端頻域圖和時(shí)域圖Fig.2 Frequency domain diagram and time domain diagram of drive end

圖3 非驅(qū)動(dòng)端頻域圖和時(shí)域圖Fig.3 Frequency domain diagram and time domain diagram of non driving end

2.2 解決措施

由以上分析可知，造成該泵振動(dòng)的原因是多方面的，但最終表現(xiàn)為非常明顯的葉輪通過頻率振動(dòng)，其中蝸殼的隔舌與葉輪間的間隙偏小是最主要的影響因素。通過對該泵的設(shè)計(jì)參數(shù)及目前的運(yùn)行情況進(jìn)行比較，該泵的額定流量和揚(yáng)程還有較多的富余，于是決定在不改變泵體其他結(jié)構(gòu)的情況下，對該泵的葉輪進(jìn)行切削，以增大葉輪與蝸殼隔舌處的間隙[10-11]。

重新對泵的相關(guān)流程進(jìn)行核算，將泵的揚(yáng)程降低6%，根據(jù)泵的第二相似定律：

得出：

式中 H1——切削葉輪后的揚(yáng)程；

H——原設(shè)計(jì)量程；

D1——切削葉輪后的葉輪直徑；

D——原葉輪直徑。

經(jīng)過計(jì)算并圓整，同時(shí)考慮到葉輪與蝸殼隔舌的間隙不能太大，兼顧揚(yáng)程和效率[12-13]，將葉輪的直徑由原來的609 mm 切削至591 mm，切削后蝸殼的內(nèi)徑為葉輪外緣直徑的1.05 倍。葉輪切削完成后，對該泵回裝后進(jìn)行試運(yùn)，將出口流量控制在改造前的基礎(chǔ)上，即400 t/h。穩(wěn)定運(yùn)行一天后，使用測振儀器測得相關(guān)振動(dòng)烈度參數(shù)如表5 所示，3 V 和4 V 的振動(dòng)的頻域和時(shí)域如圖4、圖5 所示。從表5 中可以看出，經(jīng)過切削后，泵體的振動(dòng)烈度下降非常明顯，所有測量點(diǎn)的振動(dòng)值都已達(dá)標(biāo)，特別是非驅(qū)動(dòng)端的垂直方向振動(dòng)，由原來的11.3 mm/s 降至4.2 mm/s，達(dá)到了C 級，進(jìn)入了合格運(yùn)行區(qū)；驅(qū)動(dòng)端的垂直方向振動(dòng)，也由原來的6.5 mm/s 降至2.9mm/s ，也進(jìn)入了合格運(yùn)行區(qū)。從圖4 和圖5 中的頻域圖可以看出，該泵的振動(dòng)依然表現(xiàn)出葉片通過頻率振動(dòng)，但是振幅已經(jīng)大大降低。從圖4 和圖5 中的時(shí)域圖可以看出，驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端的波形圖為典型的正弦波，波形較為光滑，周期性良好，振幅相對較小，已經(jīng)處于正常狀態(tài)[14-15]。

表5 葉輪切削后的振動(dòng)烈度Table 5 Vibration intensity after impeller cutting

圖4 3V 處葉輪切削后的頻域圖、時(shí)域圖Fig.4 Frequency domain and time domain diagram of 3V impeller after cutting

圖5 4V 處葉輪切削后的頻域圖、時(shí)域圖Fig.5 Frequency domain and time domain diagram of 4V impeller after cutting

3 結(jié)束語

利用振動(dòng)診斷技術(shù)，對該泵的振動(dòng)頻譜進(jìn)行分析，找出了該泵振動(dòng)超標(biāo)的原因。針對該泵表現(xiàn)出明顯的葉片通過頻率振動(dòng)和葉輪外緣與蝸殼隔舌處的間隙過小等情況，對該泵的葉輪進(jìn)行了切削。葉輪切削后，經(jīng)過再次測試，泵的振動(dòng)狀況得到了明顯的改善，符合機(jī)泵運(yùn)行的相關(guān)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。通過此次處理該泵的振動(dòng)問題，提供了一些思路，對于今后處理類似的機(jī)泵振動(dòng)問題，具有一定的借鑒意義。