離心泵故障模擬試驗臺設(shè)計與搭建

谷 明，王金江

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北三河 065201；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

0 引言

泵是用來增加液體能量的機(jī)械，屬于流體機(jī)械，被廣泛運用于農(nóng)業(yè)、能源、化工、礦業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域。目前泵的產(chǎn)量僅次于電機(jī)，所消耗的電量大約為總發(fā)電量的1/4[1]。在石油化工和油氣儲運行業(yè)里，離心泵是普遍使用的設(shè)備之一。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工藝技術(shù)水平的不斷提高，其對離心泵的依賴程度越來越高。針對不同應(yīng)用需求產(chǎn)生了各種離心泵，如高速離心泵、大功率離心泵、低空化余量離心泵、高入口壓力離心泵、高溫離心泵、低溫離心泵、無泄漏離心泵和耐腐蝕離心泵等多種分類。在日常生產(chǎn)中，離心泵在使用過程中發(fā)生故障較多，正確分析和判斷，才能準(zhǔn)確迅速地找出真正原因，加以排除，減少損失，保證泵的正常運轉(zhuǎn)。

國內(nèi)外對于離心泵試驗臺的研究從未停止。李祥陽等設(shè)計并搭建了一種高可靠性旋渦泵試驗系統(tǒng)，由試驗工作臺、電氣控制系統(tǒng)及計算機(jī)測試系統(tǒng)組成，通過優(yōu)化信息管理系統(tǒng)和自動控制技術(shù)，提高試驗臺的精度和可靠性[2]；耿超等設(shè)計了一種基于功率回收式的液壓泵試驗臺油路系統(tǒng)，針對所要進(jìn)行的實驗對主油路模塊所要進(jìn)行的實驗進(jìn)行設(shè)計，并進(jìn)行校核，使其滿足試驗臺的使用要求[3]；高紅斌等設(shè)計了一種基于虛擬儀器的離心泵試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地將采集到的管內(nèi)流體壓力、流量和泵體振動等數(shù)據(jù)處理后在人機(jī)交互界面顯示，具有可操作性強(qiáng)、可移植性好、自動化程度高等優(yōu)點[4]；孔繁余等研制了一種離心泵作透平試驗臺，并對比其手動和自動2 種方式的優(yōu)缺點，調(diào)研輸油站場常用離心泵，整理其型號、性能、安裝方式和常見故障等方面的資料；對試驗臺所使用的離心泵、電機(jī)、變頻器、傳感器和采集卡等主要部件進(jìn)行選型，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實際需求，設(shè)計并搭建離心泵故障模擬試驗臺；設(shè)計并加工故障部件，利用試驗臺模擬汽蝕、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中和軸承磨損等四種故障，獲得離心泵在故障發(fā)生時的溫度、壓力、流量和振動參數(shù)，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)；最后使用Matlab 分析振動的信號特征，并對試驗臺性能進(jìn)行檢驗。為測試泵作透平的水力性能提供了可靠實驗依據(jù)[5]。

1 離心泵故障模擬試驗臺需求

在搭建試驗臺之前，需要明確其主要功能和所需要的主要功能模塊各方面要求。從需求出發(fā)，試驗臺系統(tǒng)可劃分為機(jī)械部分、電氣控制部分、計算機(jī)測試部分3 個方面進(jìn)行設(shè)計。

（1）機(jī)械部分。機(jī)械部分應(yīng)具有常規(guī)離心泵輸液系統(tǒng)的功能，這部分的主要部件應(yīng)該包括離心泵、電機(jī)、聯(lián)軸器、水箱、管線、閥門。

（2）電氣控制部分。電氣控制部分主要是為電機(jī)配備1 個變頻器，此外，還需要安裝1 個電氣柜，包括空氣開關(guān)、保險開關(guān)、有功電表等，需要根據(jù)電機(jī)和變頻器的使用要求來配置。

（3）計算機(jī)測試部分。計算機(jī)測試部分具體為傳感器和采集卡的設(shè)計，其主要功能為采集離心泵在各種故障狀態(tài)下的各方面參數(shù)。計算機(jī)測試部分所要采集數(shù)據(jù)的需求為功率、轉(zhuǎn)速、流量、泵入口管路壓力、泵出口管路壓力、泵入口管路溫度、泵出口管路溫度、轉(zhuǎn)子徑向振動、水平方向振動、垂直方向振動等。

2 離心泵故障模擬試驗臺設(shè)計與搭建

試驗臺應(yīng)立足于故障模擬實驗的需求，參考國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實驗室現(xiàn)場的實際情況進(jìn)行設(shè)計和搭建。此外，設(shè)計時還應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，提高其適用性。

2.1 試驗臺設(shè)計

離心泵的選型依據(jù)應(yīng)考慮液體輸送量、裝置揚程、液體性質(zhì)、管路布置和操作運轉(zhuǎn)條件等5 個方面。在實驗室條件下搭建離心泵故障模擬試驗臺，應(yīng)具有較強(qiáng)的適用性。本節(jié)選擇的離心泵需要滿足結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)典型、性能穩(wěn)定、拆裝方便、維護(hù)方便和維修方便這些特點，并且能夠達(dá)到方便模擬、明顯顯現(xiàn)離心泵故障特征的目的。單級雙吸離心泵能夠自動平衡軸向力，工作平穩(wěn)可靠并且維修方便，只需要打開泵蓋即可取出轉(zhuǎn)子，不需要對管路和電機(jī)進(jìn)行拆裝，在很大程度上方便了轉(zhuǎn)子上故障零件的加工和故障零件的替換。選擇上海連城泵業(yè)的SLOW80-220（Ⅰ）A 型單級雙吸離心泵作為實驗用泵。確定離心泵型號之后，根據(jù)離心泵的參數(shù)性能，對試驗臺其余部分進(jìn)行選型和校核，設(shè)計的試驗臺如圖1 所示。

圖1 試驗臺三維整體模型

2.2 傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

傳感器需要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實驗的精度需求選擇。選擇LST-131 型壓力變送器、PT100 型溫度變送器、603M170型加速度傳感器和LDG-MIK-DN80 型電磁流量計。選定入口直管的185 mm、350 mm 處和出口直管的130 mm、260 mm處安裝壓力和溫度變送器。4 個加速度傳感器分別安裝于離心泵兩端軸承座的水平和豎直方向。壓力變送器安裝位置焊接一個M20-Φ100 材料為304SS 的壓力表接頭。加速度傳感器使用穩(wěn)固性好的粘結(jié)劑鐵水泥固定，可避免在離心泵泵體表面上打孔，并有較好頻率響應(yīng)傳送性能。工控機(jī)選擇BECKOFF CX5130 型工控機(jī)。電機(jī)變頻器選擇PLC 串口模塊控制器EL6021 控制。壓力、溫度、流量、振動模擬信號通過信號電纜和同軸電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集組件。搭建完成的試驗臺如圖2 所示。

圖2 試驗臺整體

圖3 離心泵故障狀態(tài)頻域

3 離心泵故障模擬實驗設(shè)計

在已經(jīng)搭建好的離心泵故障模擬試驗臺上模擬離心泵在各故障發(fā)生時的運行狀態(tài)，獲得泵運行時的流量、進(jìn)出口壓力和進(jìn)出口溫度等物理量，分析數(shù)據(jù)并得到結(jié)論。主要步驟:①對嚴(yán)重汽蝕、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中和軸承磨損4 種常見故障進(jìn)行設(shè)計；②在筆記本電腦上編寫好數(shù)據(jù)采集的程序，并做初步的調(diào)試，然后按照汽蝕、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、軸承磨損的順序進(jìn)行實驗；③數(shù)據(jù)采集持續(xù)540 s，壓力、溫度、流量每隔5 s 存儲1 個點，獲得108 個點并儲存在同一文件中，加速度傳感器每隔5 s 采集1 次，1 次持續(xù)0.4 s，獲得100 組數(shù)據(jù)；④實驗結(jié)束后對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對比正常狀態(tài)和4 種故障狀態(tài)的特征。

對比4 個振動傳感器在正常狀態(tài)和不同故障狀態(tài)下的頻域圖，如圖3 所示，汽蝕故障、轉(zhuǎn)子不平衡和軸承磨損故障下頻域圖不明顯，其故障特征還需要進(jìn)一步地分析。轉(zhuǎn)子不對中故障頻域圖與正常狀態(tài)下差別較大，垂直方向16 倍頻較為明顯，水平方向3 倍頻較為明顯，轉(zhuǎn)子不對中故障附加的激振力較好地在頻域圖上表現(xiàn)出來。模擬汽蝕故障時，其流量和泵入口壓力有較為明顯的變化，流量出現(xiàn)明顯的下降，泵入口壓力升高。正常運行狀態(tài)下流量平均值為94.98 m3/h，三次汽蝕故障模擬中分別下降至72.47 m3/h、21.67 m3/h、7.44 m3/h。通過以上4 種離心泵常見故障的模擬，該試驗臺各部分功能運行狀況良好穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子不平衡和軸承磨損故障特征不明顯，可以對其振動特性進(jìn)行進(jìn)一步分析，也可以通過增加轉(zhuǎn)子不平衡附加質(zhì)量、提高軸承磨損度來獲得故障更加嚴(yán)重時的工況數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

設(shè)計并搭建離心泵故障模擬臺，經(jīng)過前期調(diào)研、中期設(shè)計、后期檢驗3 個環(huán)節(jié)，完成了一個具有良好適用性的離心泵故障模擬試驗臺。設(shè)計離心泵故障模擬實驗，并使用離心泵故障模擬試驗臺完成實驗，獲得離心泵在不同故障工況下的數(shù)據(jù)。對實驗中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，檢驗試驗臺性能，該試驗臺能夠較好地完成離心泵典型故障模擬實驗。