化工離心泵振動(dòng)那些事，必看！
作者：化工泵 來源：離心泵 發(fā)布時(shí)間：2022-09-05
當(dāng)化工泵及其關(guān)聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通常歸結(jié)到四種類型：斷裂，疲勞，摩擦磨損或泄漏。斷裂的原因是過載，例如超過預(yù)期的壓力，或管口負(fù)荷超出推薦的水平。疲勞的條件是施加的載荷是交變的，應(yīng)力周期地超過材料破裂的耐久極限，泵部件的疲勞主要由振動(dòng)過大引起，而振動(dòng)大由轉(zhuǎn)子不平衡，泵和驅(qū)動(dòng)機(jī)之間軸中心線的過大不對(duì)中，或固有頻率共振放大的過大運(yùn)動(dòng)引起。
摩擦磨損和密封泄漏意味著轉(zhuǎn)子和定子之間的相互定位沒有在設(shè)計(jì)的容差范圍。這可以動(dòng)態(tài)發(fā)生，一般原因是過大的振動(dòng)。當(dāng)磨損或泄漏位于殼體單個(gè)角度位置，常見的原因是不可接受的管口載荷量，及其導(dǎo)致的或獨(dú)立的泵/驅(qū)動(dòng)機(jī)不對(duì)中。在高能泵（特別是加氫裂化和鍋爐給水泵），另一個(gè)在定子一個(gè)位置摩擦的可能性是溫度變化太快，導(dǎo)致每個(gè)部件由于隨溫度的變化，長(zhǎng)度和裝配不匹配。
有一些特定的方法和程序可供遵循，降低發(fā)生這些問題的機(jī)會(huì)；或如果發(fā)生了，幫助確定解決這些問題的方法，從而讓一臺(tái)泵保養(yǎng)的更好。
1、振動(dòng)評(píng)估
關(guān)于泵的振動(dòng)和其它不穩(wěn)定機(jī)械狀態(tài)的診斷或預(yù)測(cè)，應(yīng)包括如下評(píng)估：
轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)行為，包括臨界轉(zhuǎn)速，激勵(lì)響應(yīng)，和穩(wěn)定性
扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速和振蕩應(yīng)力，包括起機(jī)/停機(jī)瞬態(tài)
管路和管口負(fù)荷引起的不穩(wěn)定應(yīng)力，和不對(duì)中導(dǎo)致的扭曲
由于扭振、止推和徑向負(fù)荷導(dǎo)致高應(yīng)力部件的疲勞
軸承和密封的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)行為
正常運(yùn)行和連鎖停機(jī)過程的潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行
工作范圍對(duì)振動(dòng)的影響
組合的泵和系統(tǒng)中的聲學(xué)共振（類似喇叭）
通常討論的振動(dòng)問題是軸的橫向振動(dòng)，即與軸垂直的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)，然而，振動(dòng)問題也會(huì)在泵的定子結(jié)構(gòu)發(fā)生，如立式泵，另外振動(dòng)也會(huì)發(fā)生在軸向，也可能涉及扭振。
2、泵的運(yùn)行點(diǎn)對(duì)振動(dòng)的影響
盡量運(yùn)行在BEF點(diǎn)，否則，離心泵隨節(jié)流振動(dòng)變大，除非節(jié)流伴隨轉(zhuǎn)速的改變?nèi)鏥FD。在給定轉(zhuǎn)速運(yùn)行遠(yuǎn)低于BEF，與遠(yuǎn)高于BEF一樣，使流體的速度角度與各級(jí)葉輪或擴(kuò)散器或蝸殼舌部的流道角度不匹配。在低于入口或出口回流的流量下，轉(zhuǎn)子葉輪穩(wěn)定的側(cè)負(fù)荷和搖動(dòng)可能引起摩擦，甚至損壞軸承。
3、泵/驅(qū)動(dòng)機(jī)對(duì)中
不對(duì)中僅次于不平衡，是旋轉(zhuǎn)機(jī)器振動(dòng)問題第二個(gè)最常見的原因。通常區(qū)分為兩種形式：平行不對(duì)中和角不對(duì)中，一般不對(duì)中是兩種的結(jié)合。有時(shí)一個(gè)轉(zhuǎn)子必須在冷態(tài)和未運(yùn)行時(shí)偏移，以便在運(yùn)行和熱態(tài)時(shí)保持對(duì)中。不對(duì)中主要引起2X轉(zhuǎn)頻振動(dòng)，因?yàn)楦叨葯E圓的軌跡驅(qū)使軸運(yùn)行在不對(duì)中的一側(cè)。有時(shí)不對(duì)中負(fù)荷可導(dǎo)致高次諧頻（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速整數(shù)倍頻，尤其3X），甚至可能降低振動(dòng)，因?yàn)樗虞d轉(zhuǎn)子使其對(duì)軸承殼異常變強(qiáng)。
或者，不對(duì)中可實(shí)際上引起1X振動(dòng)增大，通過抬起轉(zhuǎn)子使其離開重力加載的“軸承位置”，使軸承運(yùn)行在相對(duì)卸載狀態(tài)（這也可導(dǎo)致軸不穩(wěn)定，后述）。典型的不對(duì)中特征表現(xiàn)為2X振動(dòng)，香蕉或數(shù)字8形軌跡，通常伴隨相對(duì)較大的軸向運(yùn)動(dòng)，也是在2X，因?yàn)槁?lián)軸器經(jīng)歷非線性“壓彎”每轉(zhuǎn)兩次。
共振
振動(dòng)超標(biāo)是常見的問題，尤其在變頻系統(tǒng)，很可能存在一個(gè)激勵(lì)頻率等于一個(gè)固有頻率。為了避免共振，轉(zhuǎn)子和軸承座的固有頻率應(yīng)該與“運(yùn)球”型的力頻率很好分離，它們很可能是1X轉(zhuǎn)頻（典型不平衡），2X（典型不對(duì)中），或葉輪流道數(shù)乘以轉(zhuǎn)速（稱為“流道通過”振動(dòng)，當(dāng)葉輪流道通過一個(gè)蝸殼舌或擴(kuò)散器流道“切流”）
實(shí)際上，共振放大（常稱為“Q”值）系數(shù)通常介于2至25之間，如果引起振動(dòng)的力是穩(wěn)定的而不是振蕩的。Q取決于能量消耗的量，稱為“阻尼”，它在碰撞中發(fā)生。在一個(gè)汽車車身，這個(gè)阻尼由沖擊吸收器提供；在一個(gè)泵，它大部分由軸承和“環(huán)形密封”轉(zhuǎn)子和定子之間的流體陷阱提供，像平衡活塞。
對(duì)應(yīng)共振，模態(tài)沖擊測(cè)試是非常有效和被證明的方法，可快速發(fā)現(xiàn)共振的原因并從根本解決它。典型的解決方法包括對(duì)最大振動(dòng)運(yùn)動(dòng)區(qū)域選擇性的支撐，或者增加質(zhì)量。模態(tài)“敲擊“測(cè)試最好在機(jī)器運(yùn)行中進(jìn)行，這樣，軸承和密封是“承載的”并支撐轉(zhuǎn)子，在泵的典型運(yùn)行狀態(tài)。確認(rèn)你或服務(wù)商具有在機(jī)器運(yùn)行條件下進(jìn)行“敲擊”測(cè)試的能力。
4、泵入口設(shè)計(jì)對(duì)振動(dòng)的影響
入口法蘭的機(jī)械連接，以及泵葉輪上游的液壓設(shè)計(jì)，都會(huì)顯著影響泵的振動(dòng)。避免在大的管口有無(wú)限制的膨脹節(jié)（管路“柔性節(jié)”），然而，主要的液壓?jiǎn)栴}是要有足夠的靜壓避免氣蝕。這意味著不僅僅具有足夠的凈正入口壓頭（NPSHA），還要高一些以滿足廠家公布的3%壓頭下降NPSHR（需要的NPHS）。
當(dāng)NPSHA到3xNPHSR時(shí)，高頻氣蝕（有時(shí)聽不見的）將引起葉輪流道入口側(cè)或摩擦環(huán)出口側(cè)的侵蝕，并導(dǎo)致低頻有時(shí)流道通過頻率振動(dòng)增加。除了入口壓力太低，如果泵運(yùn)行在遠(yuǎn)離BEF點(diǎn)，進(jìn)入的流體對(duì)旋轉(zhuǎn)的葉輪流道的沖擊角度會(huì)與泵的設(shè)計(jì)者在該轉(zhuǎn)速下預(yù)測(cè)的不同，將在入口或出口發(fā)生流道失速，分別導(dǎo)致入口或出口回流。這種內(nèi)部回流可引起流道壓力側(cè)的氣蝕，導(dǎo)致旋渦狀流隨葉輪旋轉(zhuǎn)，但是以一個(gè)較慢的轉(zhuǎn)速，在意想不到的次同步頻率激勵(lì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，顯著增大振動(dòng)。
5、平衡
不平衡是機(jī)器振動(dòng)過大最常見的原因（大約50%），緊隨其后的是不對(duì)中。一般認(rèn)為平衡分靜態(tài)（質(zhì)量中心偏離中心，質(zhì)量分布主軸仍與旋轉(zhuǎn)中心線平行）和動(dòng)態(tài)（質(zhì)量中心軸與旋轉(zhuǎn)軸成角度）。對(duì)應(yīng)軸向短的部件（如一個(gè)止推墊圈）二者的差別可以忽略，只需要單面靜態(tài)平衡。對(duì)于長(zhǎng)度大于1/6直徑的部件，應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)不平衡，至少需要雙面平衡。
對(duì)于運(yùn)行在二階臨界轉(zhuǎn)速（對(duì)泵不常見）的轉(zhuǎn)子，甚至雙面平衡還不夠，可能需要某些形式的高速模態(tài)平衡（即平衡去重考慮最接近的固有頻率模態(tài)形狀）。不平衡表現(xiàn)為1X頻率，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的重點(diǎn)以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使振動(dòng)運(yùn)動(dòng)以相同頻率。一般它也導(dǎo)致一個(gè)圓形軸心軌跡，盡管如果轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承內(nèi)承受高負(fù)荷軌跡可能為橢圓。
轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)評(píng)估
轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)需要一個(gè)比結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)更專業(yè)計(jì)算機(jī)程序，因?yàn)樗仨毎ǖ挠绊懭纾?br />◆ 在軸承，葉輪和密封，作為轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的函數(shù)的三維剛度和阻尼
◆ 葉輪和止推平衡裝置流體激勵(lì)力，和
◆ 陀螺效應(yīng)
然而，一些大學(xué)和商業(yè)組織開發(fā)了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)程序，可用的程序包括各種計(jì)算子程序，用于軸承和圓形密封（如摩擦環(huán)和平衡鼓）的剛度和阻尼系數(shù)計(jì)算，臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算，激勵(lì)響應(yīng)和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性計(jì)算，它包括軸承和密封阻尼和“交叉耦合剛度”的影響（即與運(yùn)動(dòng)垂直的的反作用力）。
