多级离心泵机组振动超标分析及对策研究

陈国龙

中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026

某国外工程项目注水泵为多级高压离心泵，共4台（3用1备），主要执行标准为国际通用离心泵标准API 610。每台泵的技术参数完全一样，其设计点参数为：流量55 m3/h，入口压力5.2 bar（1 bar=0.1 MPa），出口压力 299 bar，泵转速5 900 r/min，共10级叶轮。该注水泵为BB5泵型，为径向剖分的双层壳体结构，内层泵壳体采用铸钢，外层泵壳体采用锻钢。该项目在现场试车时，注水泵出现泵本体振动严重超标现象，进出口管道出现明显晃动的现象。

离心泵振动超标可能导致转子与定子相互摩擦甚至咬死，损坏转子、定子或轴承等零部件，离心泵因此无法正常工作；也可能导致轴封失效，发生泵送介质泄漏，污染环境；还可能造成与泵连接的管件、阀门、基础振动，致使紧固件松动甚至损坏，对操作人员和周边环境造成次生危害。据行业统计，振动超标是离心泵轴封泄漏、零部件损坏及故障停机的一个重要原因。离心泵是石油、石化行业工艺流程中重要的介质输送设备，对企业的安全生产有重要影响，因此离心泵出现振动超标后必须及时分析原因[1]，提出整改措施，以确保问题得到及时解决。

1 振动原因分析

振动是衡量离心泵机组的一项非常重要参数[2-3]。离心泵振动超标的原因主要有泵的结构缺陷和安装、操作运行不合理。泵的结构缺陷应从设计、制造两方面进行分析；安装、操作运行不合理应从现场实际安装、配管布置、操作维护等多方面进行分析，从而发现引起泵机组振动超标的真正原因，提出解决措施。

1.1 泵本身结构缺陷

（1）轴刚度问题。高压离心泵通常是叶轮级数多、泵轴长。如果泵轴刚度不够，转动时挠度会偏大，转子和定子零部件可能发生磨擦，甚至导致抱轴、轴封失效、轴承损坏等。多级离心泵截面如图1所示。

图1 多级离心泵截面示意

（2）转子不平衡问题。离心泵转子的质心如果不在回转轴线上，转子就不平衡[1]，在转动过程中，不平衡质量就会产生周期性离心力，该离心力作用在离心泵的轴承上，会引起轴承振动，甚至直接损坏轴承。

1.2 流体作用引起的振动

从图2所示的离心泵特性曲线可以发现：在设计点（最佳效率点）附近，离心泵的振动值最小；随着流量的增加或减少（偏离设计点），泵的振动值都会变大。这是因为当运行点偏离设计点工况时，介质速度的方向和大小均会变化，介质的入口冲角与转子叶片的安装角产生偏差，介质就会冲击叶片，形成作用于叶轮的冲击力，而因为作用于叶轮四周冲击力的大小和方向不同，便会产生偏心振动。

当离心泵流量减小时，泵的扬程增加，轴向力也随之增大，平衡盘不能完全平衡掉新产生的轴向力，这样就会形成一个指向泵入口的轴向力，导致转子向泵入口方向窜动，这样就磨损甚至磨坏平衡盘、止推轴承等零部件。零部件磨损、流体流场紊乱等原因产生的热量使原溶解在泵送介质中的气体析出，可能使泵腔内部分介质汽化，并产生异常振动和噪声等现象，导致泵无法稳定运行。

图2 离心泵特性曲线[2]

1.3 气蚀

离心泵在运行期间，因某种原因泵腔内局部压力降低到流体的汽化压力时，就会从液体中析出气泡，气泡随着液体一起流到高压区后会因高压液体的挤压而溃灭，气泡内的气体重新凝结并会出现较高的水锤压力，使与介质接触的零部件表面遭受侵蚀和破坏，该情况称为离心泵的气蚀[4]。

气蚀发生时，离心泵流道内会有“噼噼啪啪”的响声。响声在泵首级叶轮处会比较显著，同时有较强的振动产生。这种现象进一步发展会造成过流部件剥蚀及腐蚀破坏、密封损坏等，同时泵的扬程、流量突然下降，效率降低，最终会导致离心泵出口处的压力值降到零，流量值也降到零，从而丧失输送介质的功能。

气蚀是由泵、吸入装置和输送介质等多方面因素共同决定的。为了保证离心泵不出现气蚀，泵进口法兰处介质的能头不仅要高出介质的汽化压力，还须有足够的富余量，即气蚀余量。工程上，主要关心的气蚀余量是必需气蚀余量NPSHr和有效气蚀余量NPSHa。必需气蚀余量是指介质从泵入口到首级叶轮压力最低点的全部能头损失，是由离心泵结构本身决定的；有效气蚀余量是指泵入口介质所具有的介质汽化压力的那部分能头，是由吸入装置的安装方式、操作条件等决定的，随着吸入装置条件的改变而改变。判别离心泵气蚀的条件如下[4]：NPSHa＞NPSHr时，离心泵不发生气蚀；NPSHa=NPSHr时，离心泵开始出现气蚀；NPSHa＜NPSHr时，离心泵已经气蚀。

1.4 现场安装

（1）同轴度及对中。同轴度需要离心泵机组所有的回转零部件（如泵轴、轴承、联轴器、电机轴等）都按厂家制造图纸标注的加工精度生产制造。在离心泵的安装过程中，联轴器对中必须满足标准要求。若联轴器不对中，破坏了联轴器转动时的平衡状态，离心泵运转过程中，周期性的不平衡应力就会作用在泵机组上，从而引起整个机组的振动。

（2）配管设计安装。作为一种旋转设备，离心泵运行时会产生一些不可避免的振动。若泵进出口管道安装不好，那么振动就会传递到管道上。配管设计时应尽量避免阀门及仪表的重力、变形应力和装配应力等额外荷载作用在离心泵上，机组的垫铁、管架、管托等支承部件应切实起到支撑固定作用；对温差变化大的工艺流程管系，建议考虑设置波纹管以消除管道热应力的影响。离心泵管道的设计应符合以下要求：尽量减少不必要的弯头数量，要有合理的管道支撑和尽量进行无应力管道连接。

（3）泵机组基础。离心泵地脚螺栓通常预埋在混凝土基础底座中，机组橇座安装完成后进行二次灌浆，使橇座和基础底座形成一个整体。如果基础的强度不够，重量太轻或地脚螺栓固定不好，机组运行时就容易出现振动超标现象；如果离心泵固有频率与基础振动频率形成共振，也会发生强烈振动。

（4）泵入口管道清洗。现场试运时需对管道进行吹扫，以保证管路系统满足投产条件。但是有些项目在试运初期没有按照要求对管路进行严格吹扫，管道内流体较脏，容易产生气蚀，同时伴随有振动，严重时离心泵不能正常工作。

2 消除振动超标的对策

2.1 核实泵本身的设计问题

机械运转试验和性能试验是离心泵检验、验收中非常重要的试验。本项目的注水泵在出厂前已经在国外最终业主和第三方监理的见证下，严格按照按合同文件规定及相关标准要求进行了4 h额定流量、额定转速下的机械运转试验及性能试验。从出厂报告上可以初步判断，该注水泵在结构设计、泵轴强度、刚度等方面没有问题，排除了该泵本身设计制造方面的问题。

2.2 检查泵机组的同轴度和基础

经检查，注水泵机组的同轴度在标准要求范围内，基础固有频率、振幅经重新核算也没有问题，刚度、强度亦满足要求，地脚螺栓无松动，因此排除了机组同轴度不满足要求、基础不符合要求和地脚螺栓松动等因素。

2.3 核算现场安装问题

（1）在工艺流程设计时，已经充分考虑因入口压力低而发生气蚀的情况，在注水泵流程前已设置了喂水泵，增加了注水泵入口压力，从而避免了有效气蚀余量不足而导致发生气蚀。泵加工制造完成后，若不改变泵内部结构，其必需气蚀余量NPSHr是不变的。装置的有效气蚀余量NPSHa的计算公式为[4]：

式中：PA为喂水泵出口压力，Pa；PV为介质气化压力，Pa；ρ为介质密度，kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；Hg1为介质提升高度，m；hA-S为吸入管路内流动能量损失，J/kg。

由式（1） 可知，注水泵的有效气蚀余量NPSHa由喂水泵出口压力PA、介质的气化压力PV、注水泵相对喂水泵提升高度Hg1和管路内流动损失hA-S共同决定。当装置安装后，注水泵相对喂水泵提升高度Hg1不变，且介质物性基本不变，其汽化压力 PV是定值，引起有效气蚀余量降低的因素只有管路流动损失hA-S。分析管路损失时，重点考虑阀门和过滤器的影响，在设备试运行阶段，可能会发生管道因吹扫不干净而导致入口过滤器堵塞。打开泵入口管道，发现管道内较脏，而且在泵入口过滤器前发现一只手套。于是对管道严格按照操作程序进行了清洗，并更换了过滤器滤芯。

（2） 拆掉注水泵进出口法兰的连接螺栓后，注水泵配对法兰在管道应力的作用下有较大串动，无外力作用下连接螺栓不能自由通过注水泵本体法兰和配对法兰的螺栓孔；发现部分支架垫铁与管道接触严重不实，不能起到有效的固定支撑作用。管道安装的残余应力也是导致注水泵试车运行时进出口管道出现振动超标的原因之一。

（3）为了核算共振问题，分别对注水泵和管系进行固有频率的计算。离心泵激发频率的计算公式如下[3]：

式中：fi为第i阶激发频率，Hz；Z为泵的叶片数；N为泵转速，r/min。

在工程分析中，由于基波共振会产生最大振幅，因此通常取i=1。则：

管系的振动模态分析结果见表1。比较离心泵固有激发频率和表1所示管系的固有频率，可以初步判断该注水泵机组与管道不存在共振问题。

表1 管系振动模态分析结果

注水泵出口管道的公称直径为DN 50，其中两个支撑的间距约为6 m，管道系统的长径比较大，刚性不足。管系振动模拟结果如图3所示。从图3可以看出，立管两个弯头附近圆圈标记位置的振幅较大，应在该处施加相应的约束，增加管系刚度，从而减小管系的振幅。应选择合适的约束形式，既要抗振，又不妨碍管道热位移。

图3 管系振动模拟结果示意

（4）在注水泵出口10 m的管道上共有6个弯头，出口DN50管道的第一个弯头距离出口法兰仅有180 mm。为了研究弯头对流体的影响，利用流体仿真软件Fluent对管道内的流场进行模拟分析，模拟结果如图4所示。从图4可以看出：管道内流体在弯头处产生压力脉动及流体流速的变化，从而产生激振力，激振力可能会激发阀门和管道产生振动。

图4 弯头处压力与速度流场云图

从图4可以看出两个弯头间距为管直径的5倍时，经过弯头处产生的紊流基本消失，但是应严格控制间距不能小于3倍管道直径，否则流体一直呈紊流状态，而且紊流程度不断累加，流体激振加剧。在配管设计时需综合考虑管道热应力和流体冲击影响，尽量减少弯头数量。为了减小泵进出口处的压力脉动，管路直径宜分别比泵进出口管径大一个规格，从而改善流体流态。

根据模态分析结果，结合现场实际情况，制订了以下改造方案：在合理的位置增加固定约束，同时调整支架垫铁，确保垫铁与管道和支架良好接触。改造后的管道约束见图5。

2.4 泵操作区间

从该注水泵的性能曲线得知：泵的最小稳定流量为21 m3/h，现场试车时注水泵出口的注水管道还未全部施工完，试车时采用全部打回流的方式，由于回流管道调压阀的设计流量仅为11 m3/h，导致注水泵现场试车时最大流量仅为11 m3/h，远低于最小稳定流量值。流量不足，流体会从叶轮中倒流出来，又从靠近叶轮轮毂处重新回到叶轮内，产生入口回流。回流会扰乱入口流场，造成水力波动，从而会导致泵振动超标和管道剧烈振动。按照API 610的要求，离心泵运行时应处于泵的优先工作区，在该区域内，泵的振动值处于API 610的基本限度内。该工作区位于离心泵最佳效率点流量的70%～120%区间内。

图5 管道支架整改后实物

2.5 整改后试车

待注水管网施工完成后，重新检查了整个工艺流程，对管道进行充水排气，严格按照正常操作流程试车，将泵的实际流量提高到额定值运行。改造后的注水泵稳定运行时各点振动幅值都在标准规定范围内，管道振动基本消除，达到了预期的改造效果，泵及管道振动问题的解决有力保证了该工程注水系统的正常投产。在今后的生产运行中，应该确保工艺操作得当，使注水泵处于优先工作区内运行，现场施工安装应严格按照规范要求进行。

3 结论

（1）引起多级离心泵机组振动的原因往往是多方面的，与离心泵设计选型、机组安装、操作运行及后期维护保养等都存在较大关系。因此在设计制造、安装施工、操作试车等方面都需要进行严格控制，出现问题后要有步骤地逐个排查，找到造成振动的最终原因，并制订有效的整改措施。

（2）配管设计时，管道敷设应尽量顺直，在满足热胀要求的同时，尽量减少管道变向。由于压力脉动，激振力主要产生在管道各个转弯、截面变化处，弯头阀门等荷载集中的地方容易引起振动，应考虑设计支架，必要时管道可装热补偿器以消除管系热应力。

（3）定期对机组进行检查保养，使轴承等润滑部件润滑良好，温度、振动、液位等检测仪表工作应正常，及时清除出现在离心泵和管路系统内的杂质、异物，定时更换新过滤元件，确保管路系统畅通。

（4）这种小流量、高扬程、高转速和大功率的注水泵在运行时，若发生流量低于规定的最小流量，则泵会出现较大异常，甚至故障停机。建议采取如下两种方式：第一，泵上设置最小流量线，当流量低于规定的最小流量时，打开回流管道阀门补液，保证泵运行在允许工作区，或优先工作区；第二，推荐泵采用变速调节，通过调节转速+出口阀门开度来调节泵的流量和扬程，转速降低后，小流量时既可以保证泵的扬程，又可以改善泵腔内的流场状态，离心泵的振动、噪声和能耗都会随之降低，还能节省用电成本。