水平中开式多级离心泵运转高振的分析与处理

张政炟

中国石油哈尔滨石化分公司维修车间

摘要：水平中开式多级离心泵已经广泛应用于石油工业，如何能减少甚至避免运转过程中产能的异常高振动就成为了亟需解决的课题。本课题的研究，基于某企业外输泵出现高振动故障，经过多方面的分析排查与处理，发现了问题所在，保证了设备的安全稳定运行。离心泵在运动的过程中，旋转部件与静止部件之间的相对运动会产生动静干涉作用。动静干涉作用会导致压力脉动，从而诱发水力激振，使得离心泵系统结构产生振动。振动不仅会对结构的完整性以及稳定运行性构成重大威胁，还会产生噪声，严重影响离心泵的使用效率和工作环境。因此，对水力激振作用下离心泵系统结构振动的研究具有非常重要的意义。

关键词：离心泵；振动；分析

引言

离心泵异常振动不仅会降低设备运行效率，缩短设备零部件使用寿命，严重时甚至迫使水泵停机。离心泵异常振动诱因较多，且大多呈现非线性非平稳特性，为离心泵故障诊断带来了一定困难。如何从异常振动信号中提取其故障特征，向来是科研人员研究的热点问题之一。采用时域和频域分析方法提取离心泵故障特征并证明了其有效性;分别针对离心泵、混流泵振动信号进行EMD分解，进而提取了水泵振动信号的特征向量;对离心泵地脚螺栓松动进行频谱分析，并成功提取出相应的故障特征信息。上述非线性分析方法在提取离心泵振动特征研究中取得了一定的成果，但随着监测水平及故障诊断要。

1离心泵流致振动方法探究

本文以工程叶片离心泵为研究对象，通过得到相关水力模型数据，建立了流场计算模型。该流场计算模型在蜗壳和叶轮的基础上特别添加了入口管和出口管，使得流体能够充分发展，避免发生回流现象，流场计算更容易收敛。离心泵的流致振动分析首先需要考虑如何将流体载荷映射到结构上。本文综合各方面因素，以分布力加集中力的加载方式完成流体载荷的映射，将在入口管、蜗壳以及出口管部件上施加流体分布力，叶轮部件上施加集中力。对于分布力，首先在流场计算模型中布置大量空间监测点，然后获取流场计算后各监测点的压力时程数据，之后将压力时程数据积分得到力时程数据，最后通过加载方向和加载节点坐标完成单个分布力的加载。对于集中力，首先在流场计算中获取叶轮各个部件的各向集中力以及集中扭矩的时程数据，然后在叶轮结构上选取对应节点直接施加集中力，最后将扭矩等效为力施加到对应节点上。图中箭头表示受力方向。

2离心泵流致振动分析

建立离心泵系统结构有限元模型。300Hz范围的频率将包含流体激励的主要频率特征，故模态计算提取到前600Hz的固有模态，因此本文计算到第26阶固有模态，前26阶固有频率见表3。本文将计算时长为2s的结构动力学响应，而流场计算只有0.5s，提取整个流场中进入稳定周期性变化的载荷数据，合理进行数据延拓。考虑20个数据点能够较好地捕捉到一个周期，为获取600Hz频率的响应，取时间步长为0.0001s，一共计算20000步，最后在基座板上提取节点1的Y向位移响应数据。动力学计算方法采用模态叠加法，取前26阶固有模态。

3故障诊断与处理

(1)气蚀的分析与处理。在正常流量条件下，离心泵正常运行时不会产生高振动。但是，如果流量过低，则会在管道中形成压力差，使物质蒸发，引起气蚀问题，并引起泵的高振动。因此，应将外送泵C进口处的过滤器排空，打开过滤器顶盖，取出滤网仔细检查。滤网应清洁无明显污垢堵塞，过滤器底部无异物。过滤网应冲洗并重新安装。将过滤器注满液体并在顶部排出空气以待用。

(2)泵出口管路气囊分析处理。一般在泵启动前，液体会进入并被排空，但很难将泵组内的空气全部排出。泵启动时会形成气囊，引起管路压力波动和振动。为此，应在泵组顶部安装排空管道，将充满液体的泵体排空。启动泵组时，启动小排量泵，缓慢增加管路压力，减少压力波动，然后将出口阀全开，保证运行平稳。

(3)泵体和电机地脚螺栓松动的分析处理。离心泵是一种高速运转的设备，在运转过程中会产生一定幅度的振动。如果泵体或电机地脚螺栓松动，会降低约束刚度，加剧振动，使设备因故障停机。检查出口泵C和电机的地脚螺栓，未发现松动。

(4)机组振动探头故障误报分析处理：根据故障现象和振动计测得的振动（最大振动值可达12.4mm/s），排除原因。为了安全起见，请检查并确认振动探头是否正常。

(5)单元对位缺陷的分析处理。单元对准不良是单元高振动的诱因之一。检查单元对齐。垂直偏差为0.02mm/0.01mm，水平偏差为0.00mm/0.01mm，满足要求。

(6)耦合和耦合问题的分析和处理。联轴器连接泵轴和电机输出轴，通过电机输出旋转运动驱动泵轴旋转并传递扭矩。联轴器及支撑弹性膜片、阻尼橡胶圈、螺栓等任何异常都会引起机组的高振动。如果联轴器与轴的配合间隙过大，会损坏弹性销，也会引起机组的高振动。拆下联轴器护罩，拆下联轴器，仔细检查联轴器、弹性膜片、阻尼胶圈、螺栓等，未发现损坏。检查两端的联轴器、弹性销和配合间隙是否正常，无明显磨损。

4离心泵流场分析

在流场计算模型的基础上，采用多重参考系模型以及滑移网格技术完成离心泵的流场计算。首先进行流场稳态计算，将稳态计算收敛的结果作为瞬态计算的初始条件，以便瞬态计算可以获得一个比较好的收敛环境。提取计算所得的扬程以及效率值并与额定工况值进行对比，工况1与工况2的计算结果都存在一定误差，但误差均在8%以内。从定性的结果来看，该流场模型满足计算要求。相比工况2，工况1的误差值相对较小。计算进入稳定之后，提取11个监测点两个转轴周期内的脉动压力进行分析示。蜗壳壁面上各监测点的压力具有很明显的周期性脉动，每个监测点都有12个波峰和波谷；对于压力的大小，从蜗壳隔舌附近处的1号监测点一直到11号监测点都有所上升，对于压力的脉动范围，蜗壳壁面上的不同位置有所不同；蜗壳各监测点之间存在着明显的相位差。

将压力时程数据转换到频域，蜗壳壁面各监测点的压力脉动以叶频（290Hz）为主，同时压力脉动频率有叶频的倍频成分存在；蜗壳壁面不同位置监测点的压力脉动幅值都不一样，这与监测点到蜗壳隔舌的距离有一定的关系，明显可见蜗壳隔舌较远的5、6和7号监测点的压力脉动幅值较小，而离蜗壳隔舌较近的1、2、3和9号监测点的压力脉动幅值较大，这是由叶轮与蜗壳隔舌之间的动静干涉作用导致的结果。

结束语

离心泵高振动是多方面原因导致.通过此次技术攻关，对水平中开式多级离心泵运转高振动的原因做了全方位的分析与处理，为深层次的检修积累了宝贵的经验，同时，及时全面的排查原因，减少了设备故障对油田正常生产的影响。

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