BB2型泵水力與管路的共振產(chǎn)生與消除

谷祖鵬，王強(qiáng)

（大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司，遼寧 大連 116031）

1 問題概述

在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備的故障診斷技術(shù)越來越受到重視，如果某臺設(shè)備出現(xiàn)故障未能及時(shí)排除，后果往往是很嚴(yán)重的[1]。機(jī)械設(shè)備發(fā)生事故一般可以歸結(jié)為損傷產(chǎn)生，繼而故障出現(xiàn)，最后導(dǎo)致失效，這是客觀規(guī)律發(fā)展的一個(gè)過程[2]。本次問題出現(xiàn)在2020年9月某用戶石化現(xiàn)場出現(xiàn)BB2泵的出口管路與總管路連接處發(fā)生嚴(yán)重開焊問題。泵是以液體作為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的一種機(jī)械[3-6]。該泵在現(xiàn)場有3臺泵（A、B、S），兩開一備狀態(tài)，常規(guī)測試時(shí)啟動A、B泵，并聯(lián)運(yùn)行，S泵備用?，F(xiàn)場介質(zhì)溫度30℃，調(diào)試時(shí)兩臺泵的總流量為1 294 t/h，且兩臺泵的出口壓力表均顯示2.7 MPa。經(jīng)過了解， 嚴(yán)重開焊位置出現(xiàn)在A泵出口管路在與總管匯合處的水平Y(jié)方向?，F(xiàn)場管路實(shí)際布置及開焊位置如圖1所示。

2 泵振動數(shù)據(jù)的采集

2.1 軸承箱體處

該位號BB2泵型的轉(zhuǎn)速為4級轉(zhuǎn)速，即為1 500 r/min。單級泵，葉輪采用雙吸結(jié)構(gòu)，葉輪葉片為4枚。泵作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要功能有旋轉(zhuǎn)部件來完成，發(fā)生故障時(shí)，機(jī)器伴有異常的振動和噪音，其振動信號從幅域、頻域、時(shí)域反應(yīng)機(jī)器的故障[7-10]。在得到反饋后，決定第一時(shí)間在用戶現(xiàn)場采用振動頻譜儀對該泵驅(qū)動端與非驅(qū)動軸承箱體6個(gè)方向的振動烈度及頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。一般工程上所測得的信號多為時(shí)域信號，為了通過所測得的信號了解觀測對象的動態(tài)行為，往往需要頻域信息，這種時(shí)域信號變換至頻域加以分析的方法稱為頻譜分析[11]。軸承箱體處的傳感器布置位置見圖2、3所示。在工程振動測試中，頻譜分析法是很重要的方法。這種方法能夠使我們知道被測量的振動信號的頻譜含量，它為我們正確選擇測量方法和儀器提供了重要依據(jù)，也為分析機(jī)械動力系統(tǒng)的振動特性提供了有效工具[12]。

圖1 現(xiàn)場總體安裝布置及開焊位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of general installation layout and opening welding position

圖2 驅(qū)動端軸承箱體的傳感器布置Fig.2 Sensor arrangement of driving end bearing box

測試時(shí)發(fā)現(xiàn)的振動問題：測試A泵，在泵額定運(yùn)行工況點(diǎn)下（兩臺泵總流量1 294 t/h，兩臺泵出口壓均為2.7 MPa），泵的軸承箱體處振動以及管路上的振動均處于波動狀態(tài)，非驅(qū)動軸承箱體處，水平Y(jié)方向在1.1 ～ 2.3 mm/s，軸向X方向1.1 ～ 2.3 mm/s之間，豎直Z方向的波動范圍在2.3 ～ 6.0 mm/s。驅(qū)動端軸承箱體振動現(xiàn)象與非驅(qū)動相似，均為波動轉(zhuǎn)態(tài)。此時(shí)對軸承箱體的振動進(jìn)行120 s振動數(shù)據(jù)采集。具體振動信息見表1所示，振動頻譜如圖4所示。

圖3 非驅(qū)動端軸承箱體的傳感器布置Fig.3 The drive end bearing chamber of the sensor layout

表1 A泵各位置振動信息匯總表Table 1 Summary of vibration information of each position of A pump

圖4 A泵測試時(shí)，軸承箱體處振動頻譜Fig.4 A pump test, bearing housing vibration spectrum

2 出口管路處

經(jīng)過初步分析，該泵振動雖有一定的超標(biāo)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到將管路振裂的程度，遂決定在出口管路上進(jìn)行布點(diǎn)，測試采集管路振動情況，出口管路上傳感器的布置如圖5所示。各點(diǎn)的振動數(shù)據(jù)如表2所示。

通過手持振動儀將該泵多個(gè)位置處的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，各點(diǎn)的振動匯總?cè)鐖D6所示。

圖5 出口管路（局部）傳感器布置Fig.5 Export pipeline vibration sensor placement（local）

表2 A泵出口管路各位置振動信息匯總表Table 2 A Summary of vibration information at each position of A pump outlet pipeline

3 出口管路模態(tài)數(shù)據(jù)的采集

經(jīng)過初步測試與分析，問題主要集中在出口管路上。跟現(xiàn)場人員溝通后，3臺泵短暫停運(yùn)。對A泵出口管路水平Y(jié)方向進(jìn)行模態(tài)敲擊試驗(yàn)，測試出口管路水平方向的固有頻率。現(xiàn)階段錘擊測試已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測試獲得頻響函數(shù)的一種非常流行的方法。設(shè)備的便攜性和簡單性使其成為一種有價(jià)值的測試技術(shù)[13]。測試時(shí)采用多輸入單輸出的測試方法，即一個(gè)力錘在不同位置處多次敲擊輸入脈沖力信號，同時(shí)一個(gè)加速度傳感器在固定位置處接收振動響應(yīng)信號?，F(xiàn)場敲擊圖見圖7所示。將出口管路簡化成一根由6個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的直線模型，各點(diǎn)對應(yīng)如圖8所示，傳感器布置在第2個(gè)點(diǎn)處。 試驗(yàn)測試結(jié)果如表3所示。

表3 出口管路水平Y(jié)方向測試結(jié)果Table 3 Test results of outlet pipeline in horizontal Y direction

圖7 現(xiàn)場模態(tài)測試敲擊圖Fig.7 Percussion diagram of field modal test

圖8 模型簡化各點(diǎn)對應(yīng)圖Fig.8 Model simplified the corresponding points

圖9 出口管路水平Y(jié)方向集總平均圖Fig.9 Lumped average diagram of outlet pipeline in horizontal Y direction

圖10 出口管路水平Y(jié)方向89.398Hz模態(tài)陣型Fig.10 Exit pipeline horizontal Y direction 89.398Hz mode formation

4 整體數(shù)據(jù)分析

振動方面：

（1）從泵的振動數(shù)據(jù)分析，振動數(shù)據(jù)發(fā)生波動現(xiàn)象，驅(qū)動端最大為3.4 mm/s，非驅(qū)端最大為5.1 mm/ s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到將出口管路振裂的程度；

（2）對泵軸承箱體處的振動頻譜進(jìn)行分析，軸承箱體處影響振動最主要的頻率為100 Hz，此泵葉輪葉片為4枚，轉(zhuǎn)頻25 Hz，該頻率對應(yīng)葉輪葉片通過頻率；

（3）從泵的管路上振動數(shù)據(jù)分析，該泵的出口管數(shù)據(jù)振動過大，最大的可達(dá)到24.7 mm/s，其余位置處的振動也在10 mm/s左右，管路振動過大；

（4）對管路上的振動頻譜進(jìn)行分析，管路上影響振動最主要的頻率為100 Hz，該頻率對應(yīng)葉輪葉片通過頻率。

模態(tài)方面：

（1）通過測試A泵出口管路水平Y(jié)方向的模態(tài)，高度懷疑出口管路的一階平動固有頻率為89.398 Hz，與泵的葉輪葉片通過頻譜100 Hz僅有10%的間隔，間隔過小，認(rèn)為存在有共振的風(fēng)險(xiǎn)。所謂的共振即為：當(dāng)受迫振動的頻率接近機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動響應(yīng)的振幅會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為共振[14]。在低阻尼情況下，共振振幅的理論上趨于無窮大，會受到非線性影響并對機(jī)械造成破壞[15]，因此按照經(jīng)驗(yàn)，在工程中至少要避開共振頻率20%以上。

綜上所述，認(rèn)為該泵管路之所以出現(xiàn)開裂問題，最終的根本原因在于管路與葉輪葉片水力通過頻率發(fā)生共振，在有限阻尼情況下導(dǎo)致管路振動幅度加劇，且由于出口管路缺少必要的支撐，最終引發(fā)管路焊縫處疲勞開裂。

5 后續(xù)措施與反饋

建議出口管路高處位置進(jìn)行加固處理見圖11所示，同時(shí)更換5葉片葉輪，加大出口管道固有頻率與葉輪葉片通過頻率的間隔范圍，避開共振的風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 出口管路整改建議Fig.11 Suggestions for exit pipeline rectification

最終根據(jù)用戶反饋，經(jīng)過此方法處理后，管路振動變?yōu)? ～ 4 mm/s，徹底排除了管路開裂隱患。得到用戶好評。