离心泵故障模拟试验台设计与搭建

谷 明，王金江

（1.中海油田服务股份有限公司，河北三河 065201；2.中国石油大学（北京），北京 102249）

0 引言

泵是用来增加液体能量的机械，属于流体机械，被广泛运用于农业、能源、化工、矿业、制造业等领域。目前泵的产量仅次于电机，所消耗的电量大约为总发电量的1/4[1]。在石油化工和油气储运行业里，离心泵是普遍使用的设备之一。随着社会经济的发展，工艺技术水平的不断提高，其对离心泵的依赖程度越来越高。针对不同应用需求产生了各种离心泵，如高速离心泵、大功率离心泵、低空化余量离心泵、高入口压力离心泵、高温离心泵、低温离心泵、无泄漏离心泵和耐腐蚀离心泵等多种分类。在日常生产中，离心泵在使用过程中发生故障较多，正确分析和判断，才能准确迅速地找出真正原因，加以排除，减少损失，保证泵的正常运转。

国内外对于离心泵试验台的研究从未停止。李祥阳等设计并搭建了一种高可靠性旋涡泵试验系统，由试验工作台、电气控制系统及计算机测试系统组成，通过优化信息管理系统和自动控制技术，提高试验台的精度和可靠性[2]；耿超等设计了一种基于功率回收式的液压泵试验台油路系统，针对所要进行的实验对主油路模块所要进行的实验进行设计，并进行校核，使其满足试验台的使用要求[3]；高红斌等设计了一种基于虚拟仪器的离心泵试验系统，该系统可以快速、准确地将采集到的管内流体压力、流量和泵体振动等数据处理后在人机交互界面显示，具有可操作性强、可移植性好、自动化程度高等优点[4]；孔繁余等研制了一种离心泵作透平试验台，并对比其手动和自动2 种方式的优缺点，调研输油站场常用离心泵，整理其型号、性能、安装方式和常见故障等方面的资料；对试验台所使用的离心泵、电机、变频器、传感器和采集卡等主要部件进行选型，结合相关标准和实际需求，设计并搭建离心泵故障模拟试验台；设计并加工故障部件，利用试验台模拟汽蚀、转子不平衡、转子不对中和轴承磨损等四种故障，获得离心泵在故障发生时的温度、压力、流量和振动参数，以及电机的转速、功率等参数；最后使用Matlab 分析振动的信号特征，并对试验台性能进行检验。为测试泵作透平的水力性能提供了可靠实验依据[5]。

1 离心泵故障模拟试验台需求

在搭建试验台之前，需要明确其主要功能和所需要的主要功能模块各方面要求。从需求出发，试验台系统可划分为机械部分、电气控制部分、计算机测试部分3 个方面进行设计。

（1）机械部分。机械部分应具有常规离心泵输液系统的功能，这部分的主要部件应该包括离心泵、电机、联轴器、水箱、管线、阀门。

（2）电气控制部分。电气控制部分主要是为电机配备1 个变频器，此外，还需要安装1 个电气柜，包括空气开关、保险开关、有功电表等，需要根据电机和变频器的使用要求来配置。

（3）计算机测试部分。计算机测试部分具体为传感器和采集卡的设计，其主要功能为采集离心泵在各种故障状态下的各方面参数。计算机测试部分所要采集数据的需求为功率、转速、流量、泵入口管路压力、泵出口管路压力、泵入口管路温度、泵出口管路温度、转子径向振动、水平方向振动、垂直方向振动等。

2 离心泵故障模拟试验台设计与搭建

试验台应立足于故障模拟实验的需求，参考国家标准，结合实验室现场的实际情况进行设计和搭建。此外，设计时还应进行系统优化，提高其适用性。

2.1 试验台设计

离心泵的选型依据应考虑液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置和操作运转条件等5 个方面。在实验室条件下搭建离心泵故障模拟试验台，应具有较强的适用性。本节选择的离心泵需要满足结构简单、结构典型、性能稳定、拆装方便、维护方便和维修方便这些特点，并且能够达到方便模拟、明显显现离心泵故障特征的目的。单级双吸离心泵能够自动平衡轴向力，工作平稳可靠并且维修方便，只需要打开泵盖即可取出转子，不需要对管路和电机进行拆装，在很大程度上方便了转子上故障零件的加工和故障零件的替换。选择上海连城泵业的SLOW80-220（Ⅰ）A 型单级双吸离心泵作为实验用泵。确定离心泵型号之后，根据离心泵的参数性能，对试验台其余部分进行选型和校核，设计的试验台如图1 所示。

图1 试验台三维整体模型

2.2 传感器与数据采集系统设计

传感器需要根据国家标准，并结合实验的精度需求选择。选择LST-131 型压力变送器、PT100 型温度变送器、603M170型加速度传感器和LDG-MIK-DN80 型电磁流量计。选定入口直管的185 mm、350 mm 处和出口直管的130 mm、260 mm处安装压力和温度变送器。4 个加速度传感器分别安装于离心泵两端轴承座的水平和竖直方向。压力变送器安装位置焊接一个M20-Φ100 材料为304SS 的压力表接头。加速度传感器使用稳固性好的粘结剂铁水泥固定，可避免在离心泵泵体表面上打孔，并有较好频率响应传送性能。工控机选择BECKOFF CX5130 型工控机。电机变频器选择PLC 串口模块控制器EL6021 控制。压力、温度、流量、振动模拟信号通过信号电缆和同轴电缆传输至数据采集组件。搭建完成的试验台如图2 所示。

图2 试验台整体

图3 离心泵故障状态频域

3 离心泵故障模拟实验设计

在已经搭建好的离心泵故障模拟试验台上模拟离心泵在各故障发生时的运行状态，获得泵运行时的流量、进出口压力和进出口温度等物理量，分析数据并得到结论。主要步骤:①对严重汽蚀、转子不平衡、转子不对中和轴承磨损4 种常见故障进行设计；②在笔记本电脑上编写好数据采集的程序，并做初步的调试，然后按照汽蚀、转子不平衡、转子不对中、轴承磨损的顺序进行实验；③数据采集持续540 s，压力、温度、流量每隔5 s 存储1 个点，获得108 个点并储存在同一文件中，加速度传感器每隔5 s 采集1 次，1 次持续0.4 s，获得100 组数据；④实验结束后对所采集到的数据进行分析，并对比正常状态和4 种故障状态的特征。

对比4 个振动传感器在正常状态和不同故障状态下的频域图，如图3 所示，汽蚀故障、转子不平衡和轴承磨损故障下频域图不明显，其故障特征还需要进一步地分析。转子不对中故障频域图与正常状态下差别较大，垂直方向16 倍频较为明显，水平方向3 倍频较为明显，转子不对中故障附加的激振力较好地在频域图上表现出来。模拟汽蚀故障时，其流量和泵入口压力有较为明显的变化，流量出现明显的下降，泵入口压力升高。正常运行状态下流量平均值为94.98 m3/h，三次汽蚀故障模拟中分别下降至72.47 m3/h、21.67 m3/h、7.44 m3/h。通过以上4 种离心泵常见故障的模拟，该试验台各部分功能运行状况良好稳定。转子不平衡和轴承磨损故障特征不明显，可以对其振动特性进行进一步分析，也可以通过增加转子不平衡附加质量、提高轴承磨损度来获得故障更加严重时的工况数据。

4 结论

设计并搭建离心泵故障模拟台，经过前期调研、中期设计、后期检验3 个环节，完成了一个具有良好适用性的离心泵故障模拟试验台。设计离心泵故障模拟实验，并使用离心泵故障模拟试验台完成实验，获得离心泵在不同故障工况下的数据。对实验中采集到的数据进行分析处理，检验试验台性能，该试验台能够较好地完成离心泵典型故障模拟实验。