基于输油离心泵振动分析及设计改进

司先锋

【摘要】在石油行业中，经常采用离心泵对净化原油或含水原油进行外输，该设备是否能正常运行，直接关系到输油站、转油站的平稳、高效运转。其进出口的振动现象是投产及生产运行中经常出现的故障。本文针对中俄原油管道漠河首站离心输油泵投产初期试运时出现的振动现象，进行了原因分析，并提出可行的改进设计，最终进行了运行验证，保证了该工程中输油泵的正常运行工况。

【关键词】 离心泵 振动 改进

1 设计工况

中俄原油管道漠河—大庆段工程输油首站位于黑龙江省漠河县兴安镇附近的漠河首站，终于大庆市中南部的大庆末站。线路全长926.55km。形成1500×104t/a的输油能力。管道采用常温密闭输油工艺，管径为φ813mm，设计压力为8.0MPa，管道材质选用L450级钢。为满足外输流量、沿程热力、水力损失，在首站设计4台流量Q=2100m3/ h，H=360m输油离心泵，其中运行3台，备用1台，采用串联升压流程，升压分为3级连续升压，每级升压为1.2MPa。工艺流程见图1。

图1 首站外输泵工艺流程图

从工艺流程图中分析，输油泵进口管道为φ630×14，出口管道为φ530×14。

2 运行状况

按照图1工艺流程安装运行时，输油离心泵出现下列运行状况。

（1）在空转时，泵体振动大，尤其是进出口处，垂直方向比水平方向振动大。出口管线并不时伴有水锤的声音，最后会使出口压力表指示为零。

（2）在设计流量下运行时，振动不超标，随着流量的大幅降低或提高，泵的两端轴承及出口管线振动剧烈。泵体内发出象往复机似的噪音。流量正常时，振动和噪音也恢复正常。

3 原因分析

3.1 离心泵基础与管线

作为转动设备，离心泵本身会有一定的振动，如果管线和泵体没有固定好，这些微振会通过流体的流动由泵传递给管线，在管路系统刚度不够的情况下，会发生一种结构共振。如泵的基础重量太轻或固定不牢固，

图2 泵进出口加固示意图

3.2 最佳工况点

任何离心泵都有一个最佳工况点，体现在泵的性能曲线上。在离心泵带负荷运行时，泵的振动随流量而变化，通常在最佳效率点流量附近时振动最小，并且随着流量的波动而增加。从最佳效率点对应的流量算起，振动的变化量随能量密度、比转速及汽蚀比转速的增加而增加。泵在小流量条件下运行时，部分液体的能量转变为热能，使进口处液体的温度升高，当液体温度使有效汽蚀余量等于或小于泵必须汽蚀余量时，就会产生汽蚀现象。

在正常流量下，泵本身的自动平衡盘能很好平衡转子轴向力。但流量过低时，由于轴向力的增大，自动平衡盘就不能将转子的轴向力平衡掉，使转子受到一个指向叶轮入口方向的轴向作用力，造成转子向前窜动，转子、平衡盘等部件严重磨损。轴向介质的入口冲角与转子叶片的安装角偏差较大，也会产生冲击，引起强振。此外，如果蜗壳内压力分布不均匀，壳内流体对流出叶轮的流体所起的阻碍作用也不同，使得沿叶轮四周的液体给叶轮的力和方向也不同，也会引起偏振。

3.2.1 改进方案

校正轴向介质的入口冲角与转子叶片的安装角偏差，使其在误差范围之内。由厂家重新调整叶轮参数来改变泵的输出流量；对叶轮的进出口角度进行修改，可减小作用在叶轮上的径向力，减小振动。最终满足离心泵最佳效率点流量的80%～110%区间内。

3.3 离心泵有效汽蚀余量

有效汽蚀余量是离心泵很重要的参数，如果有效汽蚀余量不足，就会造成泵入口压力低于介质的饱和蒸气压，介质汽化，同时溶解在液体里的气体还有逸出，形成大量气泡。气泡在叶轮的外侧高压处迅速萎缩、凝结，形成真空区，气泡周围的液体迅速冲入，形成强大的局部高频水击，造成压力波动，并伴有撞击的声音。气泡凝结时产生局部高温，金属表面因疲劳而产生剥蚀。情况严重时，大量气体聚集在叶轮周围，阻塞流道，使泵内液体流动的连续性遭到破坏，最后液流中断，造成泵抽空，产生汽蚀现象。由于流量的断断续续，造成了泵的强烈振动，转子和泵体产生摩擦，最终损坏，无法运行。

3.3.1 改进方案

将该工程中离心泵进出口的异径三通改为同径三通，这样可以通过提高泵入口处的压力来增加装置的有效汽蚀余量。

4 运行验证

依据离心泵空运转和带负荷运转时发现的现象，及时分析原因，采用上述的改进方案，经过现场实施改进，从泵的内因和外因改进后，经过验证得出，该工程中4台离心泵运行很平稳，运行噪音在允许范围之内，有力保证了该工程的输油离心泵正常投产，同时也给工程人员带来一个安静舒适的工作环境。

参考文献

[1] 姬忠礼.泵与压缩机[M].北京： 石油工业出版社出版，2008

[2] 美国石油学会.石油、重化学和天然气工业用离心泵标准，610：17

[3] 关醒凡.泵的理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1987