甲醇泵异常振动分析及处理

引言

甲醇泵是某公司低温甲醇洗装置的核心设备,其主要作用是给低温甲醇洗装置提供适当的甲醇循环流量和压力,通过甲醇来吸收原料气组分中的CO2、H2S等介质,从而保证低温甲醇洗装置产品气体指标满足专利商设计要求。

该泵由国内某公司制造,型号为HDD800-140,属ApI 610规定的BB2标准泵型,其额定流量774.8 m3/h,额定扬程155 m,额定转速1 480 r/min,配套电机功率450 kW。该泵工作状态下入口压力0.167 Mpa(G),入口温度33.72℃,出口压力1.34 Mpa(G)。

在项目建设过程中,现场安装完毕后单体试车时发现该泵振动超标,其中非驱动端垂直方向振动值高达7.03 mm/s,轴承箱其余各点测试数据如表1所示。

根据某公司机泵运行管理规定,该泵允许长期运行的振动限值为不高于2.8 mm/s。因此,根据现场测试情况,该泵的振动值远远超过振动限值,需进行原因分析及治理。

1振动原因分析

现场测试发现泵的非驱动端轴承箱振动超标后,立即组织泵的制造商、设计单位、工程总承包及分包单位、项目监理等各方人员进行分析。通过调阅泵的出厂性能测试报告,发现该泵在出厂测试时各点的振动数值普遍不高,均在2.8 mm/S以下,出厂试验满足API 610规定的小于3.0 mm/S的要求。项目设计单位从该泵的管道设计、流体设计、支架设计等多个角度对泵的进、出口管路系统进行全面复核,排除了设计方面的问题。工程总承包及分包单位、项目监理分别从泵安装过程中的水平验收、灌浆、无应力检查、对中检查等各方面再次进行了检查,排除了设备安装过程中可能出现的问题。

根据泵的试验情况及各方意见,由于该泵驱动端振动值满足要求,暂定先对泵的非驱动端轴承箱进行检查,以期排除机械方面的问题。经过检查,泵的轴承完好,各配合间隙满足装配要求。为进一步分析非驱动端轴承箱垂直方向振动高的原因,使用离线振动分析仪对甲醇泵振动情况进行了频谱分析。

非驱动端轴承箱垂直方向频谱如图1所示。

可以看到,频谱上主要的峰值为6倍频(6X)和12倍频(12X),即1倍和2倍的叶片通过频率1VP和2VP。同时也能发现7倍频(7X),7倍频(7X)因叶片通过频率产生。

由于甲醇泵驱动端及非驱动端各测点的振动值差异较大,尤其是在非驱动端垂直方向表现最为明显,故进一步对轴承箱进行了敲击测试。

非驱动端轴承箱垂直方向敲击测试结果如图2所示。

通过测试结果可以看到,非驱动端轴承箱垂直方向存在121、146~156、270、317~327、370 Hz固有频率,如表2所示。

通过频谱分析及敲击测试分析可知,频谱上主要的峰值存在于6倍频(约150 Hz)、12倍频(300 Hz)、7倍频(175 Hz)。敲击测试分析显示,非驱动端轴承箱垂直方向存在146~156 Hz的固有频率,该频率与泵的叶片通过频率发生了重合,在泵的运行过程中,轴承箱在叶片通过频率的激励下发生共振,从而引起非驱动端轴承箱垂直方向振动值超标。

鉴于振动测试的结果,各方对制造商提供的出厂测试报告提出质疑。经过进一步沟通,制造商答复由于厂内试验条件有限,在出厂测试时并没有连接轴承箱冷却水管路,不排除轴承箱冷却水管路对轴承箱垂直方向的固有频率产生了影响,从而引起轴承箱垂直方向共振。

2振动治理

API 610中将轴承箱的共振试验纳入可选试验,同时建议在固有频率和激励频率之间应存在一个安全的间隙范围,包括但不限于转速的1倍频、2倍频、3倍频;叶轮通过频率的1倍频、2倍频等。通常情况下,制造商在设计时应避免泵的工作频率或叶轮通过频率处于共振区,且至少应保留25%的安全余量。显然,甲醇泵的制造商忽略了上述情况。

振动是作用力与刚度的比率,即:

某公司甲醇泵振动高的原因为叶轮通过频率与非驱动端垂直方向固有频率发生了重合,在泵的运行过程中,轴承箱在叶片通过频率的激励下发生共振,从而引起垂直方向振动值超标。因此,解决振动超标有两个方向:第一,减小叶轮通过频率下的激励力;第二,增加非驱动端轴承箱垂直方向的刚度。

国内外有关研究表明,双吸泵错列叶轮布置方案对叶轮通过频率的抑制有显著效果[1]。当前,错列叶轮结构已在双吸泵的设计中被广泛采用,实践证明双吸叶轮叶片错列一定角度后可以显著降低泵内压力脉动,某些工况下,其叶频能量抑制效果可高达80%[2]。Fu—Jun wang等对均匀错列叶轮的双吸泵进行了振动测试与分析,认为泵体的振动主要是由叶轮—蜗舌动静干涉作用引起的[3]。

综上,错列叶轮可以有效抑制双吸泵内动静干涉诱发的压力脉动能量,从而有效减小叶频产生的激振力。

根据频谱分析及敲击测试分析结果,制造商对泵的叶轮进行了重新设计,将原设计的6叶片叶轮更改为7叶片叶轮,如图3所示;同时对泵的水力学计算进行了优化;另外,泵的轴承箱也进行了重新设计,并进行固有频率模拟测算,以避免再次出现同样的问题。

新的叶轮及轴承箱制造完成后,现场组织进行了更换,在随后的测试中,泵的振动显著下降,各测点振动值如表3所示。

3结束语

随着社会经济的不断发展,新建炼化企业大型化、规模化已然成为常态。这些企业普遍具有加工流程长、上下游联动紧密的生产特点,任意一个流程中断,都将给上下游稳定运行带来严重影响。

离心泵历来是大型炼化企业工艺流程中的关键设备,一旦出现振动故障,轻则导致设备零部件损坏,重则导致加工流程中断,必然给企业经济效益带来重大损失。新形势下,炼化企业盈利空间不断收缩,设备检维修费用控制日益严格,各单位对机泵振动水平管理也日益严格。近年来,关键机泵在线监测及故障诊断系统的广泛应用为企业机泵振动治理提供了良好的平台,同时也为提高企业经济效益提供了根本保障。

笔者通过对某炼化企业甲醇泵振动故障进行分析,利用频谱分析及敲击测试表现出的故障特征,结合国内外相关文献的研究成果,综合分析故障原因,以此为依据提供治理意见并组织实施,高效解决了文中所述设备振动超标的问题,为设备长周期稳定运行提供了本质保障,因而具有一定的借鉴意义。