离心泵性能测试中振动超标分析及解决方案

王 勤 华锁宝 杨玲玲 刘志军

(1.合肥通用机械研究院；2.苏州苏尔寿泵业有限公司)

离心泵因其结构简单紧凑、效率高、流量大、容易操作和维修，目前广泛应用于石油化工行业。振动是考核离心泵性能的重要参数之一，如果其超标将会降低设备的使用寿命，造成转子、静止件以及轴承等零部件的损坏，使机组不能正常运行。同时，易引发电机和管路的振动，形成噪声，引发轴封失效，造成泄漏，从而造成物料损失或环境污染等。因此在离心泵制造完成进行出厂测试时必须保证其振动100%合格。笔者基于多年离心泵性能测试方面的经验，对性能测试中常见的振动超标问题进行讨论。

1 离心泵振动检验标准及方法

目前，离心泵的振动检验标准通常按照API 610-2004[1]和JB/T 8097-1999[2]执行。前者根据泵的转速和效率进行判定，对离心泵的优先工作区和允许工作区内的振动值进行了确定；后者根据转速与中心高对离心泵分类，然后根据A、B、C、D振动烈度进行判定。

现场性能测试过程中通常对驱动端和非驱动端分别设点测量取值，其中驱动端对其水平方向、竖直方向分别测量；非驱动端对其水平方向、竖直方向及轴向分别测量。根据测试现场的条件，又分为仪器手动测量和传感器传输两种。

2 离心泵振动超标问题排查分析

现场实测振动超标时，通常根据整改的难易程度依次寻找存在的问题，具体顺序为离心泵操作的问题→安装问题→装配和零部件的问题→结构设计的问题。

2.1 操作问题

有关操作问题的检查要点有：

a. 检查润滑油的情况，润滑油选型不当、变质、杂质含量超标和润滑管道不畅而导致的润滑故障，都会造成轴承工况恶化，引发振动。对于水润滑的滑动轴承，启动过程中应加足预润滑水，避免干启动，直至水泵出水后再停止注水。油润滑的需定期向需要注油的轴承适量注油。

b. 检查离心泵是否长期处于低负荷运行(即长期处于汽蚀条件下工作)，这种偏离设计最佳操作的工况会造成喘振，给叶轮带来严重破坏，从而造成振动超标。

c. 性能测试所用流体中含有杂质，导致泵体的叶轮流道内有杂质，从而造成振动超标。

2.2 安装问题

在核对完操作问题无误后，如果仍存在振动超标，则需对泵的安装问题进行检查：

a. 检查泵的基础，因测试台与安装现场不同，不存在地脚螺栓的灌浆等工序，为直接螺栓固定在基座上，因此首先检查基座与地面的水平度、刚度及螺栓是否存在松动。

b. 泵找正不对中。

c. 泵的出口管道支架刚度不够，变形太大，造成管道下压在泵体上，使得泵体和电机的对中性破坏；管道在安装过程中应力太大，进出口管路与泵连接时内应力大；进、出口管线松动，约束刚度下降甚至失效；出口流道部分全部断裂，碎片卡住叶轮；管路不畅，如出水口有气囊；出水阀门掉板，或没有开启；进水口有进气，流场不均，压力波动。这些原因都会直接或者间接导致泵和管路的振动。

d. 电机轴和泵轴同心度超差；电机和传动轴的连接处使用了联轴器，联轴器同心度超差。

2.3 装配和零部件的问题

如果操作得当，且安装不存在问题，则需对泵进行拆解，检查泵在制造和装配过程中是否存在不符合工艺、设计要求的环节：

a. 拆解泵体，首先检查是否存在部件损坏。

b. 核对联轴节与泵轴、叶轮孔与轴的配合间隙、叶轮口环与泵体口环配合间隙等各间隙是否存在超出工艺要求。

c. 检查轴的直线度。

d. 检查叶轮静平衡是否超标。

e. 检查转子动平衡是否超标。

f. 检查是否存在共振现象。

2.4 结构设计的问题

如果离心泵的操作、安装及装配和零部件均核对不存在问题，但泵仍存在振动超标，则需考虑是否存在设计问题：

a. 泵的选型是否存在问题。

b. 配管系统设计是否合理，设计时未考虑到热力管在升温后对机泵轴中心推移的严重影响；泵出入口管线在安装和焊接过程中总是有一定的轴向或径向应力。

c. 水力设计的相关问题。

以上4点为常见的造成离心泵振动超标的原因，可能单一作用导致振动超标，但更多的时候是多重因素共同影响的。

3 离心泵振动超标问题实例分析

某项目采购的离心泵，水平中开式，首级双吸叶轮，次级叶轮叶片数包含5级和7级，输送介质为贫甲醇，设计转速为2 960r/min，额定流量526m3/h，额定扬程951.7m，额定轴功率1 253kW，额定效率82%，气蚀要求6.4m。

根据JB/T8097-1999按泵的中心高和转速，查表得此离心泵属于第三级。根据JB/T8097中表3泵的振动级别分为A、B、C、D，其中A、B、C级为合格，D级为不合格，查表得最终振动烈度需不超过7.1mm/s。根据API 610按泵的转速和功率进行划分，查表得该泵在优先工作区各个方向的振动值需不超过3.0mm/s，超出优先工作区外的允许工作区各方向振动值可上浮30%，即不超过3.9mm/s。

在进行水力性能测试时发现其中存在振动超标，非驱动端轴承箱体处竖直方向的振动值在8.3mm/s左右，在驱动端轴承箱体处竖直方向的振动值在5.0mm/s 左右，其振动尖峰的频率在350Hz 左右，其余方向振动值均小于1.0mm/s，其振动频谱如图1、2所示。

图1 非驱动端轴承箱体处竖直方向振动频谱

图2 驱动端轴承箱体处竖直方向振动频谱

制造厂对振动超标产生的原因进行分析研究，首先检查操作是否得当及是否存在螺栓松动等安装问题，检查核实无误后进行测试，仍存在振动超标问题。因振动主要超标问题存在于轴承箱竖直方向，首先考虑轴承箱体是否存在共振现象，检测轴承箱体的固有频率，其固有频率在200Hz 左右，排除了轴承箱体共振的可能性。而后制造厂决定拆泵检查泵内部是否有问题，首先进行了轴承箱体的拆检和转子动平衡的检测，发现了驱动端的轴瓦烧毁，同时转子动平衡也超差。制造厂更换了新的驱动端轴瓦，重新做了转子动平衡。

设计人员初步分析此种振动超标为声共振造成的，即声波在水里的波长和泵内一段过渡流道长度接近引起的。而且这种振动是随泵输送介质密度的改变而变化的，因此以水为介质测试时有振动，到用户现场介质密度改变，声波的速度和波长就相应改变了，振动就不一定存在。

叶片通过隔舌时的振动是产生脉动的根源，压力脉动沿着长过渡段前行，传播波至下游叶轮处反射回来，互相之间形成共振。泵内长过渡段的长度和声波在试验介质中的传播速度决定了泵的声共振情况。

为降低水力振动对声共振的激发，在保证泵性能不变的前提下，制造厂减小了第三级叶轮的直径，同时对泵体的第三级和第四级的隔舌处进行了消除水力激振的打磨，即打磨出倒角，如图3所示。

图3 隔舌处倒角

做完以上工作后对泵又重新进行了组装和试验，振动有了降低但仍有些超标，非驱动端轴承箱体处竖直方向的振动数值为6.2mm/s左右，其他方向振动均小于3.0mm/s，振动频谱如图4所示。

图4 非驱动端轴承箱体处竖直方向振动频谱

经过整改，目前该台离心泵振动指标已符合JB/T 8097-1999 《泵的振动测量和评价方法》的要求，但根据API 610要求，该泵的各个方向的振动值需控制在3.0mm/s内。因此需要进一步降低叶轮和泵体过渡流道间的水力激振，叶轮和泵体之间的流道是能量转换集中的区域，也是易发生水力冲击和激振的地方，而打磨叶轮叶片出口工作面和叶轮出口盖板倒角是最有效的手段，整改后的叶轮如图5所示。同时对底座进行加强处理，在底座的下面焊接了一些加强筋。然后再重新做转子动平衡和泵的装配和测试，最终试验所有在API 标准测点位置的振动值都小于3.0mm/s。

图5 叶轮的打磨和盖板倒角车削

4 结束语

因离心泵的流道长度和介质密度引起的声共振，由于工厂测试所用介质与现场实际输送介质的不同，因此存在不确定性。这就要求设计人员在设计初期需对其流道长度与现场输送介质密度等因素进行综合考虑。引起离心泵振动超标的原因是多重的，彼此之间相互影响，原因复杂多样，需要不断的分析改进，确保在工厂水力测试时振动完全合格。同时在现场使用过程中，操作人员要对离心泵在运行过程中进行实时监测，做好定期的巡检，检查离心泵的螺栓紧固程度，离心泵运转过程中声音是否存在异常，一旦发生异常，要分析产生原因，检查各零部件的是否存在损坏，在产生严重后果前将问题解决。

[1] API 610-2004，石油、石化和天然气工业用离心泵[S].纽约：美国石油学会，2004.

[2] JB/T 8097-1999，泵的振动测量和评价方法[S].北京：机械工业出版社，1999.