流体脉动诱发离心泵振动的分析与治理

0
500
1000
1500
2000
/Hz
图 3 改造后振动频谱图
承箱振动大的原因是由泵内流体相共振脉动引起 转子振动，再引起轴承箱振动，而不是泵外壳和法 兰振动引起的。
（3）在保证吸入性能条件下，尽量选用多叶片 叶轮。BP-3123B 通过更换 5 叶片叶轮，避开流体 相共振区，降低脉动压力幅度，使泵的振动水平达 到优良状态，从而保证密封、轴承和泵体的可靠运 行。
大 庆 石 化 公 司 丁 二 烯 装 置 精 馏 塔 底 泵（BP3123B）投入生产后，在设计流量下运行，轴承箱振 动水平为 7~8 mm/s，超出标准（低于 3 mm/s）中的 要求。2012~2014 年，为查找泵的振动原因反复试 验，先后对该泵的配管和叶轮部分进行局部改造， 最后找到了塔底泵振动原因，解决泵振动高的问 题。 1 振动原因分析 1.1 振动值和叶片通过频率
叶片通过压力脉动频率计算见（1）式：
fvp=nz（2 N/60）
（1）
式中 fvp—叶片通过压力脉动频率，Hz；n—谐波整
数，n=1；z2—叶片数量，z2=4；N—转速，1 490 r/min。
计算得知：fvp=99.2 Hz，与轴承箱端部 4 点的振
动频率 99.37 Hz 接近，因此可以判定离心泵振动
Duan Shucheng
该精馏塔底泵属于离心泵，具有大流量、大功 率、扬程较高的特点，转速频率 nf=24.8 Hz；泵壳采 用双蜗壳结构，见图 1。
2
5 1
34
图 1 BP-3123B 离心泵外形图和测振点分布
在图 1 中，分别对泵的进出口法兰 1 点和 2 点、 轴承箱 3 点和 4 点、泵外壳支耳 5 点、以及电动机采 集振动数据和频谱分析。泵体部分振动表现均为 4 倍频的分量占主要成分，其中轴承箱端部 4 点位 置 水 平 方 向 振 值 最 大，为 7.6 mm/s，振 动 频 率 为 99.37 Hz。
Liu Longqing
（Daqing Petrochemical Company Planning Department，Daqing 163714，China）
Abstract：Using railway tank car to transport liquid material is the main transportation mode for petrochemical enterprises. The measurement data of the transported liquid directly affect the economic benefit of enterprises. This paper made comparison to the metering modes，such as static rail weighbridge，dynamic weighbridge，mass flowmeter and manual measuring，and put forward
1.1/1.5
0.92/1.1
-
1.82/1.3
F2
F2
改造前后泵法兰上振动没有太大变化，也证 明了流体脉动在出口管路的激振力载荷对泵口法 兰影响较小。
（2）泵壳内流体脉动对蜗壳的影响 对泵上的 5 点改造前后的振值进行对比，结果 见表 2。
表 2 泵壳支耳振值对比（/ mm·s-1）
F2'
F3'
方向 水平 垂直
transfer metering schemes under different circumstances. Keywords：railway tank car；metering mode；transfer；benefit improvement
Application of adaptive bus operation mode of small current grounding line selection technology/2014，25（4）：30-32
第 25 卷
的能量成正比。密度越大，速度越大，产生的作用
力越大，而且速度的影响更加显著。泵介质冷运
的比重高达 1.02，正常生产比重达到 0.89；叶片出
口速度由于叶轮直径尺寸大，扬程高，出口速度达
到 50 m/s。因此在蜗壳隔舌处产生很大的压力脉
动，而压力脉动产生的动载荷相互作用在叶轮和
隔舌上。
（2）出口管路对泵壳体的影响
图 2 转子受力和轴承箱振动模型
叶轮受到蜗壳内流体脉动激振力 F1，通过轴 承力 F2 和 F3 机械振动传递到轴承箱壳体。轴承 箱简化为悬臂简支梁模型，因为 F2’和 F3’作用在 远离悬臂端，一阶振型，所以轴承箱端的振幅要大 于固定端。
对轴承箱（3 点和 4 点）改造前后振动值对比分 析，见表 3。
流体脉动对叶轮下游（出口管）静压力的变化
量：
Δp
d
=
0.75
ρ 2
u2
Δp
Δp 与流量比、频率比、以及计算偏差有关，实
验证明此数值只有千分之几大小，因此泵出口的
压力脉动幅度非常小。
由于出口管路压力脉动小，则对出口管路如
弯头、变径处产生的激振力也小，因此出口管路激
振力作用在泵体出口法兰上的载荷影响可以忽略
参考文献：
［1］ 杨敏，闵思明，王福军.双蜗壳泵压力脉动特性及叶轮径向力数值 模拟［J］.农业机械学报，2009（9）：83-88.
［2］ 王洋，代翠.离心泵内部不稳定流场压力脉动特性分析［J］.农业机 械学报，2010（3）：91-95.
［3］ 关醒凡.现代泵技术手册［M］.北京：中国宇航出版社， 1995：27-31.
为消除离心泵振动，对该泵进行 2 次改造。 第 1 次对进出口管路进行优化，严格按照泵的 要求进行改线，降低出口管线高度，减少出口管重 量对出口法兰的影响，对入口直管段进行优化减 少气蚀，对进出口管托进行限位，防止热应力对泵 口法兰的影响，进出口法兰严格无应力连接，但开 车后离心泵轴承箱振动没有得到有效改善。 第 2 次只更换叶轮，由 4 叶片更改为 5 叶片，轴 承箱振动水平大大降低，达到优良水平，说明改变 叶片数目，消除了相共振产生条件，流体脉动力大 大减小。 轴承箱端部（4 点）改造后的水平方向频谱见 图 3。 由图 3 可见，叶频（99.2 Hz）振幅基本消除，说 明已经消除了相共振能量，离心泵振动改造达到 了预期目的。 3 结束语 （1）对高扬程重工位离心泵，要重视和评估流 体脉动对机械性能的影响，从采购、监造方面综合 考虑降低振动措施。 （2）通过理论分析和实验，确定 BP-3123B 轴
பைடு நூலகம்
主要是由于叶频诱发流体脉动引起的。
1.2 流体脉动原因
由离心泵的外部蜗壳静止，叶轮逆时针旋转
运动，蜗壳和叶轮产生相对运动，叶轮叶片间的流
体尾流间断地流出，沿着蜗壳流道输往泵出口，所
以流体脉动是叶片式离心泵的固有特性。流体脉
动表现为压力的脉动形式，特别在蜗壳上的隔舌 1
和 2 点，流体产生的冲击载荷大，压力脉动效果特
nz2(1 ± z3
M)
=1
±0.25
径向力要求：nz2 - mz3 ≠ 1
压力脉动要求：nz2 - mz3 ≠ 0 ，n，m 为整数。对
5 叶片或更多的叶片数蜗壳泵，相共振影响是不成
问题的。
而该泵叶片数和隔舌数分别是 4 和 2，满足不
利的压力脉动条件，所以，因为相共振引起此泵内
流体脉动力增加。
1.5 轴承箱振动分析
别突出。
蜗壳隔舌与叶轮的间隙比较重要，离心泵叶
片数越少，叶片载荷越大，叶轮出口处液流周向不
均匀性越严重。双蜗壳泵 2 个蜗壳相对其中心线
是对称的，但是 2 个从蜗壳到泵压出接管法兰之间
的 流 道 却 不 能 对 称 ，所 以 双 蜗 壳 泵 存 在 径 向 力 。
而蜗壳内的流体压力脉动则会使叶轮产生径向脉
今后，将尽快完成剩余约 55 t 氧化铝的生产，并按进度计划保质保量完成载体和催化剂的工业生产任务，为工业试验奠 定坚实基础。
炼油与化工
2014 年 第 4 期
REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY
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Discussion on transfer metering mode of liquid material in railway tank car/2014，25（4）：28-29
［4］ 沈庆根.郑水英.设备故障诊断［M］.北京：化学工业出版社， 2006：13-16.
［5］ 蒋跃.隔舌对双蜗壳泵径向力和压力脉动影响的数值模拟研 究［D］.兰州：兰州理工大学，2013.
收稿日期：2014-04-01 作者简介：张新，工程师，1993 年毕业兰州石油学校化工机械和设备 专业，现从事化工设备管理工作。
动激振力。
1.3 流体脉动对部件的影响
（1）对蜗壳隔舌位置的影响
流体脉动在隔舌上产生静压力变化量 Δpd ： ［1］
Δp
d
=
0.75
ρ 2
u2
（2）
式中 ρ —流体密度；u—叶片出口绝对速度。 由（2）式可以看出，流体产生的动载荷与密度
和出口速度有关，出口脉动产生的脉动力与介质
炼油与化工
34
REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY
不计。
实际该泵出口压力变动幅度 0.14%，对泵进出
口法兰（1 点和 2 点）改造前后振动值对比分析，见
表 1。
表 1 泵进出口法兰振值对比 （/ mm·s-1）
叶轮叶片数 z2与蜗壳隔舌数 z3的组合，会引起
叶片同步，不同步和半同步产生脉动幅度增大和
减小的效果。相共振与泵尺寸、马赫数 M、以及叶
片与隔舌的组合有关，相共振产生条件［1］：
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2014 年 第 4 期
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流体脉动诱发离心泵振动的分析与治理
张 新，魏广杰
（大庆石化公司化工一厂，黑龙江 大庆 163714）
摘要：分析了大庆石化公司丁二烯装置精馏塔底离心泵的振动故障，通过频谱、结构分析和实验，
找到流体脉动诱发轴承箱机械振动的原因。采取修改叶轮叶片数量的措施，避开流体相共振，泵体
5 点（改造前/改造后） 0.61/0.52 0.73/0.80
改造前后没有发生明显变化。说明了蜗壳内 压力脉动激振力对蜗壳的振动影响很小。 1.4 蜗壳内流体脉动的相共振
对双蜗壳泵，隔舌对称布置相位 180°，叶轮 4 叶片对称布置，容易诱发相共振，造成流体脉动幅 度增大，叶轮承受的径向激振力增大。
石化信息
工业试验用渣油加氢催化剂生产全面启动
石油化工研究院与抚顺催化剂厂密切配合，使得保护剂、脱金属剂、脱硫剂、脱残炭剂的生产工作已全面启动。目前，已 生产保护剂 PHR-402 约 0.4 t；启动脱金属剂的生产工作，正在进行 PHR-103 载体混捏成型；生产脱硫剂 PHR-203 载体 33.6 t、催化剂 7.6 t；启动脱残炭剂的生产工作，正在进行 PHR-301 载体混捏成型。在载体和催化剂的生产过程中，通过对 原材料、中间产品、催化剂成品的生产全过程质量监控，确保载体和催化剂符合指标要求。
确定了流体脉动对泵进出口法兰和壳体影响
较小，所以排除了泵法兰和壳体机械振动诱发泵
的轴承箱振动的原因，从而确定泵壳内流体相共
振脉动力对叶轮载荷影响最大。对转子和轴承箱
结构和受力进行分析，见图 2。
F1
方向 水平 垂直 轴向
1 点（改造前/改造后） 2 点（改造前/改造后）
1.01/0.9
1.6/1.2
2014 年 第 4 期
张新，等.流体脉动诱发离心泵振动的分析与治理
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表 3 泵轴承箱振值对比（/ mm·s-1）
方向 水平 垂直 轴向
3 点（改造前/改造后） 4.56/0.63 2.24/1.7 -
4 点（改造前/改造后） 8.24/1.01 4.1/2.72 4.41/1.63
C2 C1
改造前后振动值发生了明显变化，其中水平 振动改造后振幅大大的降低，说明了是由于叶轮 径向脉动激振力减小，轴承箱端机械振动才大为 减轻。 2 改造过程和效果
振动水平达到优级。
关键词：离心泵；流体脉动；振动；治理
中图分类号： TH311
文献标识码：B
文章编号：1671-4962（2014）04-0033-03
在生产运行中离心泵的振动主要是由动平 衡 、转 子 弯 曲 、对 中 不 好 、连 接 松 动 等 原 因 引 起 的。而由流体脉动诱发的振动故障较少发生，因 此这类故障易被忽视，为消除振动的方法和措施 就相对较少。