如何打造高可靠性離心泵？
2020-12-22 10:29:20力士霸泵業(yè)
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摘 要：結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及工程實踐經(jīng)驗，從水力設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品加工制造與裝配、到配套件的選型與設(shè)計、再到產(chǎn)品的現(xiàn)場安裝與應(yīng)用，就“如何打造出高可靠性離心泵”給出較系統(tǒng)、全面的建議，希望能對同行們有所幫助。
關(guān)鍵詞：離心泵 可靠性 設(shè)計 應(yīng)用
0 背景
隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步，人們對健康、環(huán)保、安全等方面的要求越來越高。作為通用機(jī)械的離心泵、特別是重要工況離心泵（如核電站、火電廠、石化等關(guān)鍵用泵）的各項指標(biāo)也越來越受到人們的關(guān)注，其中最關(guān)鍵的一個指標(biāo)是產(chǎn)品的可靠性。
這可以從近些年來的一些大型項目招標(biāo)文件中得到具體體現(xiàn)。
在很多關(guān)鍵泵的技術(shù)規(guī)格書中通常都有這樣的要求，如：投標(biāo)方應(yīng)提供高質(zhì)量的設(shè)備，這些設(shè)備應(yīng)是成熟可靠、技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)品；……應(yīng)保證泵具有較高的運(yùn)行效率和可靠性；投標(biāo)方提供的設(shè)備應(yīng)為全新的、先進(jìn)的、成熟的、完整的和安全可靠的……
何謂產(chǎn)品的可靠性？影響產(chǎn)品可靠性的因素有哪些？文章將結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及工程實踐經(jīng)驗，從設(shè)計、加工制造與裝配、配套件的選型及產(chǎn)品的現(xiàn)場安裝與應(yīng)用，就如何打造出高可靠性離心泵給出較系統(tǒng)、全面的建議，僅供同行們參考。
1 名詞及術(shù)語
1.1 冗余（redundancy）
產(chǎn)品中具有多余一種手段（即人為增加重復(fù)部分）執(zhí)行同一種規(guī)定功能，稱為冗余。其目的是用來對原本單一部分進(jìn)行備份，以提高系統(tǒng)的可靠性。
1.2 最小連續(xù)穩(wěn)定流量（minimum continuous stable flow）
API610標(biāo)準(zhǔn)[1]定義為：在不超過本國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動限值的情況下泵能夠工作的最小流量。
1.3 吸入能量（suction energy，SE）
吸入能量是離心泵葉輪入口處液體動量的量度，其定義是：葉輪入口直徑、泵轉(zhuǎn)速、吸入比轉(zhuǎn)速和泵送介質(zhì)比重之間的乘積。
對于端吸泵，SE值大于等于160 × 106（rpm-gpm-ft）時定義為高SE；對于剖分式泵和徑向入口泵，SE值大于等于120 × 106（rpm-gpm-ft）時定義為高SE。而當(dāng)SE值大于等于1.5倍高SE值時稱為很高SE。
1.4 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（condition monitoring systems，CMS）
一種測量指定機(jī)器過程參數(shù)和預(yù)測趨勢的系統(tǒng)。提供報警、顯示和分析工具，用于檢測和識別發(fā)展中的故障。
2 可靠性及其影響因素
在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，稱為產(chǎn)品的可靠性。可靠性是與時間相關(guān)的質(zhì)量指標(biāo)，泵只能在一定的時間范圍內(nèi)達(dá)到可靠性目標(biāo)值。
影響離心泵可靠性的因素很多，主要分為四大類：泵本體設(shè)計、產(chǎn)品加工制造及裝配、配套件選型及設(shè)計和現(xiàn)場安裝應(yīng)用。可以進(jìn)一步細(xì)分為：
2.1 泵本體設(shè)計
1） 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
2） 水力設(shè)計
3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.2 產(chǎn)品加工制造及裝配
1） 加工制造
2） 裝配
2.3 泵配套件選型及設(shè)計
1） 軸承選型及潤滑
2） 機(jī)械密封及系統(tǒng)
2.4 現(xiàn)場安裝應(yīng)用
1） 現(xiàn)場安裝
2） 現(xiàn)場調(diào)試
3） 現(xiàn)場運(yùn)行
3 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
我國離心泵行業(yè)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)較多較雜，有國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（如國家標(biāo)準(zhǔn)GB、機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）、國外標(biāo)準(zhǔn)（如歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN、德國標(biāo)準(zhǔn)DIN、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS、美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ANSI、美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API等）和國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。
不同標(biāo)準(zhǔn)對泵的要求各不相同，特別是可靠性方面相差非常大。
總體來說，API610標(biāo)準(zhǔn)要求最高 - 從水力設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計再到配套零部件的選型與設(shè)計，都有嚴(yán)格要求，且該標(biāo)準(zhǔn)所涉及的內(nèi)容基本來自于良好的工程驗證和運(yùn)行實踐，執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品具有高可靠性、長壽命、可操作性強(qiáng)和安裝維護(hù)方便等突出優(yōu)點，因此，目前已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外重要工況、關(guān)鍵場合的設(shè)備中。
文章將主要結(jié)合ANSI/API610第11版標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”）中的相關(guān)條款要求及實際工程經(jīng)驗，就如何提高離心泵可靠性問題給出較系統(tǒng)、全面的建議，希望對同行們有所幫助。
注：本文中所涉及的條款、表及圖號均指ANSI/API610第11版標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的條款、表及圖號。
4 水力設(shè)計
優(yōu)秀的水力設(shè)計除了滿足所需要的性能（流量、揚(yáng)程、汽蝕）以外，還應(yīng)滿足高效、高可靠性要求。
4.1 條款6.1.8…在確定裝置汽蝕余量時，買方和賣方應(yīng)當(dāng)弄清楚最小連續(xù)穩(wěn)定流量與泵的吸入比轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，一般來說，泵的最小連續(xù)穩(wěn)定流量隨著吸入比轉(zhuǎn)速的增加而增加……，選擇吸入比轉(zhuǎn)速的大小及NPSH安全裕量時，應(yīng)當(dāng)考慮現(xiàn)有的工業(yè)水平和制造廠經(jīng)驗。
【解讀】關(guān)于吸入比轉(zhuǎn)速對離心泵運(yùn)行可靠性的影響，國際同行具有非常豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗，并給出了吸入比轉(zhuǎn)速的最大限定值。其中，UOP 5-11-7規(guī)范[2]規(guī)定的吸入比轉(zhuǎn)速的限定值在全球得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，其規(guī)定：泵的吸入比轉(zhuǎn)速不得高于13000（m3/h,rpm, m）；當(dāng)泵送介質(zhì)為水或水含量超過50%的溶液，并且泵的單級葉輪功率超過75 kW時，吸入比轉(zhuǎn)速不得高于11000 （m3/h, rpm,m）。
【建議1】隨著科技的進(jìn)步，由于出現(xiàn)了一些其它可改善離心泵吸入性能的設(shè)計手段，吸入比轉(zhuǎn)速的限定值也隨之相應(yīng)提高。根據(jù)國際同行的實際工程使用經(jīng)驗，對于BB2型泵限定值通常控制在14400（m3/h, rpm, m）。具體可參見文獻(xiàn)[3]。
【建議2】對于高能泵和高吸入能量泵，需要提供比常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中推薦的更大的NPSH裕量或裕量比，詳細(xì)要求可參見文獻(xiàn)[4]和[5]。
4.2 條款6.1.11 對于所有應(yīng)用條件，泵最好具有穩(wěn)定的流量-揚(yáng)程曲線（即揚(yáng)程曲線呈連續(xù)上升狀直到關(guān)死點為止）。
【解讀】應(yīng)避免流量-揚(yáng)程曲線出現(xiàn)駝峰而使泵出現(xiàn)一個不穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)間（即偏小流量運(yùn)行工況），在該區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時將導(dǎo)致振動和噪聲的顯著增加、可靠性下降。
【建議】對于已發(fā)貨的實型泵應(yīng)避免在不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間（即偏小流量運(yùn)行工況）內(nèi)運(yùn)行；對于新開發(fā)的產(chǎn)品，在設(shè)計過程中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┍苊饬髁?揚(yáng)程曲線出現(xiàn)駝峰。
4.3 條款6.1.15單級揚(yáng)程超過200m和單級功率超過225kW的泵需要特殊措施來減小葉輪葉片通過頻率振動和小流量時的低頻振動。對于這些泵，導(dǎo)葉與葉輪葉片外圓周之間的徑向間隙至少為最大葉輪葉尖半徑的3%（對于導(dǎo)葉式泵）和最大葉輪葉片尖半徑的6%（對于蝸殼式泵）。
【解讀】此類泵稱為高能泵。如果出現(xiàn)振動超標(biāo)，上述間隙因素有可能是引起的主要原因。
在實際工程應(yīng)用中，其實這種現(xiàn)象普遍存在于所有離心泵，國外將這種現(xiàn)象稱為“葉片流道綜合癥”。當(dāng)液體流經(jīng)該小通道時，液體的流速增加引起液體壓力的下降、局部汽化，產(chǎn)生汽泡，然后在較高的壓力下破裂，導(dǎo)致汽蝕、引起泵的振動。
【建議】對于高能泵，葉輪葉片與蝸殼/導(dǎo)葉之間的間隙應(yīng)不小于上述推薦值。
5 結(jié)構(gòu)設(shè)計
影響可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計很多，如承壓殼體、泵軸及底座的強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)件的受力及配合；軸向力的平衡方式；轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題等。
如何從設(shè)計入手來解決產(chǎn)品的可靠性問題？這里有一些指導(dǎo)性原則 [6]：
1） 盡量采用經(jīng)過驗證的成熟的技術(shù)。
2） 盡可能簡化結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)量。
3） 盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊結(jié)構(gòu)。
4） 設(shè)置故障監(jiān)測和診斷裝置。
5） 保證零件部設(shè)計裕度（安全系數(shù)）。
6） 必要時采用冗余設(shè)計。
7） 失效安全設(shè)計。
8） 安全壽命設(shè)計。保證使用中不發(fā)生破壞而充分安全的設(shè)計。
9） 加強(qiáng)重要零部件的可靠性分析。FMEA（失效模式影響分析）和FTA（故障樹分析）是可靠性分析中的重要手段。
10） 可靠性確認(rèn)試驗，在沒有現(xiàn)成數(shù)據(jù)和可用的經(jīng)驗時，這是唯一的手段。
標(biāo)準(zhǔn)中與可靠性設(shè)計相關(guān)的條款較多，現(xiàn)摘錄一些典型的條款進(jìn)行解讀。
5.1 ANSI/API610第11版標(biāo)準(zhǔn)增加了附錄K.1關(guān)于OH2和OH3型懸臂式泵的軸剛性的判定原則。
圖1顯示了一個簡易的懸臂泵轉(zhuǎn)子，D等于機(jī)械密封軸套處的軸徑（mm），L為葉輪出口中心線與徑向軸承之間的跨距（mm），軸撓性系數(shù)ISF=L3/D4。
圖2 - 懸臂泵軸撓性系數(shù)與尺寸因子的關(guān)系圖（SI單位制）
圖2為懸臂式泵軸撓性系數(shù)與其尺寸因子的關(guān)系圖，圖中給出了一條用于判別軸剛性的限制線即剛性線（采用國際單位制時，其由公式ISF, SI = 32 × Kt-0.76來定義）。
圖中Kt為泵的“尺寸”因子，等于泵最大葉輪直徑、最高效率點流量Q×總揚(yáng)程H / 轉(zhuǎn)速N（m3/h，m，r/min），與扭矩有關(guān)。從該圖可以看出：較小的泵比大型泵具有更高的L3/D4。
【解讀】API/ISO工作組回顧了來自一些用戶關(guān)于軸剛性及被制造商廣泛關(guān)注的軸撓性的紀(jì)錄。軸撓性系數(shù)逐漸發(fā)展成為一個直接的判定工具，用于評估真正的API泵與貼著API標(biāo)簽但不符合API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計要求的泵[7]。
L3/D4是轉(zhuǎn)子剛度的度量標(biāo)準(zhǔn)，并成為間接評估或比較負(fù)載下轉(zhuǎn)子撓度的標(biāo)準(zhǔn)。
L3/D4越小，轉(zhuǎn)子撓度越小，這有利于提高機(jī)械密封的可靠性。如果L3/D4太大，特別是在接近泵關(guān)死點位置運(yùn)行、水力徑向負(fù)荷過大的地方，泵軸可能會折斷[8]。
【建議】關(guān)于L3/D4的使用原則是：對于某一尺寸因子的懸臂泵，如果其撓性系數(shù)位于剛性線之下，則表明該泵為剛性軸設(shè)計，滿足API泵要求，是安全的；如果L3/D4的值超過剛性線20%，用戶應(yīng)該要求泵制造商為其設(shè)計的合理性負(fù)責(zé)，或者提供相同或相近工況的運(yùn)行業(yè)績。
5.2 條款9.2.4.1.1隨著泵設(shè)計的不同，（BB型）多級泵和高轉(zhuǎn)速泵的一階或二階濕橫向臨界轉(zhuǎn)速可能會與工作轉(zhuǎn)速相重合，特別是當(dāng)內(nèi)部間隙隨著磨損而增大時。橫向分析能夠預(yù)測出何時可能發(fā)生這種重合，以及由此引起的振動是否可以接受……
【解讀】標(biāo)準(zhǔn)對“橫向臨界轉(zhuǎn)速”的定義是：轉(zhuǎn)子-軸承-支撐系統(tǒng)處于共振狀態(tài)時的軸轉(zhuǎn)速。在臨界轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子對于不平衡比任何其它轉(zhuǎn)速時更敏感。與其它類型的旋轉(zhuǎn)設(shè)備相比，泵轉(zhuǎn)子動力學(xué)涉及到更多的設(shè)計變量，了解臨界轉(zhuǎn)速的目的在于讓離心泵的工作轉(zhuǎn)速避開臨界轉(zhuǎn)速，以免引起共振。
泵的臨界轉(zhuǎn)速取決于軸的橫向剛度系數(shù)和圓盤的質(zhì)量，而與偏心距無關(guān)。更具體的說，臨界轉(zhuǎn)速的大小與軸的材料、結(jié)構(gòu)、粗細(xì)、葉輪質(zhì)量及位置、耐磨環(huán)處間隙及表面型式、軸的支承方式等因素有關(guān)。臨界轉(zhuǎn)速還與軸所受到的軸向力的大小和方向有關(guān)，當(dāng)軸向力為拉力時，臨界轉(zhuǎn)速提高，而當(dāng)軸向力為壓力時，臨界轉(zhuǎn)速則降低。
【建議】雖然標(biāo)準(zhǔn)中給定了是否需要做橫向分析將根據(jù)表18中規(guī)定的流程來確定，但是實際工程應(yīng)用中，對于一些重要場合高轉(zhuǎn)速或調(diào)速型泵、特別是大型多級離心泵，不管用戶是否有要求均需進(jìn)行橫向臨界轉(zhuǎn)速分析，而且通常要求一階濕橫向臨界轉(zhuǎn)速高于泵額定轉(zhuǎn)速20 % 以上。另外，對于細(xì)長軸泵（如VS6），可以通過增加支撐的方式來提高軸子的剛性和臨界轉(zhuǎn)速。
6 產(chǎn)品加工制造
提高泵可靠性最簡單和最快捷的方法之一是加工制造出、并使用符合制造商原始規(guī)范的零件。
影響零部件加工制造質(zhì)量的因素主要包括：尺寸及公差（含鑄造精度和加工精度）、跳動及撓度、零部件不平衡量等。
6.1 公差
對于一些重要尺寸，如軸向定位尺寸（影響轉(zhuǎn)子軸向?qū)χ校┖团浜铣叽纾ǔＶ苯釉趫D紙上標(biāo)有公差（包括尺寸公差和形位公差）范圍，這些尺寸必須嚴(yán)格控制。
對于其它非重要尺寸，其允許的公差要求通常按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
6.2 跳動及撓度
條款6.6.9應(yīng)沿軸的全長進(jìn)行機(jī)械加工并進(jìn)行拋光，使總指示器跳動（TIR）不大于25 μm。
【解讀】限制軸的跳動的主要目的是避免泵運(yùn)行過程中振動超標(biāo)、而嚴(yán)重影響到軸承和機(jī)械密封的使用壽命。
【建議】可通過提高軸的剛度來達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
實際工程應(yīng)用中，新軸的跳動值通常要求控制在0.02 mm以內(nèi)。
對于泵軸最大允許跳動限定值，不同的泵公司、針對不同規(guī)格及不同結(jié)構(gòu)的離心泵，在實際應(yīng)用中各有不同 – 有的放寬到0.04 mm，有的放寬到0.05 mm。不管限定值大小如何，最終必須確保其在滿足一定的可靠性基礎(chǔ)上使設(shè)備及零部件的使用壽命達(dá)到合同要求。
條款6.9.1.3為得到良好的密封效果，在最嚴(yán)重的動態(tài)條件下，在泵的允許工作范圍內(nèi)（最大葉輪直徑和在規(guī)定轉(zhuǎn)速、規(guī)定的介質(zhì)條件下），在主要密封面處，軸的剛度應(yīng)當(dāng)限定軸的總撓度小于50 μm。
【解讀】限制軸的撓度的主要目的與限制軸的跳動一樣，也是為了避免泵運(yùn)行過程中可靠性降低，從而影響到機(jī)械密封的使用壽命。
【建議】也可通過提高軸的剛度來達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。對于蝸殼式泵，當(dāng)泵的出口通徑達(dá)到80 mm及以上時，可通過采用雙蝸殼結(jié)構(gòu)來平衡徑向力，以避免主要密封面處軸的撓度超標(biāo)。
6.3 零部件的平衡
條款6.9.4.1葉輪、平衡鼓及類似的主要旋轉(zhuǎn)零部件應(yīng)當(dāng)進(jìn)行到ISO 1940-1 G2.5級的動平衡...對具備過盈配合組件的BB1和BB2單級泵轉(zhuǎn)子，賣方可以選擇平衡轉(zhuǎn)子部件而不是單獨地平衡主要的旋轉(zhuǎn)零件。
條款6.9.4.4如果有規(guī)定，葉輪、平衡鼓及類似的主要旋轉(zhuǎn)零部件應(yīng)當(dāng)動平衡到ISO 1940-1 G1.0級……
【解讀】轉(zhuǎn)子不平衡是引起泵振動的一個非常重要的因素，轉(zhuǎn)子最好作為一個整體來進(jìn)行動平衡。但是，由于受到結(jié)構(gòu)（如懸臂泵轉(zhuǎn)子）及制造商試驗?zāi)芰Φ闹萍s，有些轉(zhuǎn)子無法進(jìn)行整體動平衡試驗，可以進(jìn)行分體動平衡（如懸臂泵轉(zhuǎn)子可以采用芯軸僅對葉輪進(jìn)行動平衡）。ISO1940-1標(biāo)準(zhǔn)允許進(jìn)行分體動平衡，但要求“每個部件的剩余不平衡度均小于整體部件的剩余不平衡度”。
注意：API610標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，平衡試驗的轉(zhuǎn)子不包括泵的半聯(lián)軸器和機(jī)械密封旋轉(zhuǎn)部件。
至于轉(zhuǎn)子動平衡精度達(dá)到G1.0級的要求，使用現(xiàn)代平衡設(shè)備是完全可以做到的。但是由于與不平衡量相關(guān)的質(zhì)量偏心距太小，當(dāng)轉(zhuǎn)子動平衡后，很多泵型的轉(zhuǎn)子均需要經(jīng)過拆卸、重新裝配，質(zhì)量偏心距將會發(fā)生變化，平衡精度等級無法得到保持。因此，對于動平衡精度等級要求，實際工程應(yīng)用中國內(nèi)外普遍按G2.5級執(zhí)行，且經(jīng)過幾十年的運(yùn)行驗證，完全能滿足泵的可靠性要求。
【建議】動平衡之前，應(yīng)檢查泵轉(zhuǎn)子葉輪口環(huán)處的跳動，不應(yīng)超過設(shè)計要求。
7 產(chǎn)品裝配
對于一些重要用泵，通常僅允許經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的、合格的人員從事裝配工作。同時，應(yīng)根據(jù)良好的機(jī)械工程實踐經(jīng)驗來進(jìn)行裝配。
產(chǎn)品的裝配涉及到正確的安裝、對中及緊固。對于一些較大型、臥式泵的轉(zhuǎn)子，還涉及到抬軸的問題。在此不再贅述。
8 配套件選型及設(shè)計
離心泵本體主要配套件包括機(jī)械密封和軸承。它們對泵的運(yùn)行可靠性有著重大的影響，也是離心泵最容易出現(xiàn)故障的部件。
8.1 機(jī)械密封
條款6.8.1泵應(yīng)當(dāng)配有API682標(biāo)準(zhǔn)[9]中規(guī)定的機(jī)械密封和密封系統(tǒng)。泵和密封接觸面尺寸應(yīng)按照本國際標(biāo)準(zhǔn)的表7和圖26……
【解讀】對于軸封型離心泵來說，機(jī)械密封及其系統(tǒng)屬于本體上非常重要的部件，如果選型、使用不當(dāng)，不僅直接影響到泵組的運(yùn)行可靠性，而且對企業(yè)財產(chǎn)、員工的人身安全及環(huán)境帶來威脅。API682標(biāo)準(zhǔn)給出了機(jī)械密封的選型步驟和密封沖洗方案的指導(dǎo)意見，該標(biāo)準(zhǔn)以實踐經(jīng)驗為依據(jù)，特別強(qiáng)調(diào)靈活運(yùn)用。
【建議】工程實踐中，對于絕大多數(shù)常用工況，可以直接采用該標(biāo)準(zhǔn)推薦的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及沖洗方案。對于一些特殊工況，可根據(jù)供應(yīng)商的實際應(yīng)用經(jīng)驗，選擇更合適的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及沖洗方案。
8.2 軸承
條款6.10.1.1每根軸均應(yīng)由兩個徑向軸承和一個雙作用的軸向（推力）軸承支承……軸承應(yīng)該采用下列組合中的一種：
- 滾動徑向軸承和滾動推力軸承；
- 流體動壓徑向軸承和滾動推力軸承；
- 流體動壓徑向軸承和推力軸承。
除非另有規(guī)定，軸承應(yīng)按表10中規(guī)定的界限選用。表10關(guān)于軸承的選擇：如果能量強(qiáng)度（即泵額定功率kW和額定轉(zhuǎn)速r/min的乘積）為4百萬或更大，則必須使用流體動壓徑向軸承和推力軸承。
【解讀】標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定離心泵軸承的配置方式分為三種，且當(dāng)泵的能量強(qiáng)度大于等于4百萬時，必須采用流體動壓徑向軸承和推力軸承。
【建議1】離心泵軸承的選擇主要考慮以下因素：負(fù)荷（大小和方向）、轉(zhuǎn)速、潤滑和軸向位移。實際工程應(yīng)用中，通常按兩倍的實際最大負(fù)荷來選擇軸承。對于一些特殊應(yīng)用工況（如高吸入壓力工況），軸承確定后，應(yīng)對軸承使用壽命進(jìn)行估算，以確定是否滿足標(biāo)準(zhǔn)或合同要求。具體計算方式可參見相關(guān)軸承標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 281）、軸承供應(yīng)商手冊（如SKF）或文獻(xiàn)[10]。
【建議2】很多場合，離心泵既可采用流體動壓軸承也可采用滾動軸承，從承載能力和使用壽命來說流體動壓軸承具有明顯的優(yōu)勢，但卻無價格優(yōu)勢。在選型時，應(yīng)綜合考慮各種因素。對于普通流程泵，盡可能采用滾動軸承。
9 選型
當(dāng)泵制造商收到買方的詢價資料時，需要進(jìn)行的第一項工作就是選型。合理的選型不僅有利于泵制造商提高中標(biāo)概率、降低用戶投資成本，而且直接影響到泵（組）是否能夠長期、安全可靠運(yùn)行。
每臺離心泵都有一個特定的流量運(yùn)行范圍，也可以說，離心泵是為特定流量運(yùn)行范圍而設(shè)計的。當(dāng)泵型合適且運(yùn)行于最佳效率點（BEP）時，作用在葉輪上的徑向力最小。這樣可以使泵獲得最高的效率和最小的振動。
如果泵偏離BEP運(yùn)行，泵內(nèi)部將出現(xiàn)受力不平衡，這種不平衡會導(dǎo)致泵軸發(fā)生偏移、軸承和機(jī)械密封過度負(fù)載、過度振動并產(chǎn)生過度的熱量，所有這些都會顯著降低泵的壽命，增加過早故障的可能性。由于大多數(shù)泵的運(yùn)行條件是動態(tài)的，并且實際流量和壓力要求會發(fā)生變化，因此確定泵的大小以使其在BEP或附近運(yùn)行非常重要[11]。
影響離心泵選型的因素很多（如流量、揚(yáng)程、溫度、介質(zhì)特性、入口壓力、現(xiàn)場條件、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、市場因素等），如何快速合理地選擇離心泵是一個較復(fù)雜的過程，可參考文獻(xiàn)[12]。
10 其它
影響泵運(yùn)行可靠性的其它因素還有：不適當(dāng)?shù)模ìF(xiàn)場）安裝、調(diào)試和運(yùn)行。
10.1 現(xiàn)場安裝對中
條款6.3.3壓力泵殼應(yīng)設(shè)計成：
a) 在同時承受最大允許工作壓力（及最高工作溫度）和表5中列出的作用到每個管口上兩倍允許管口負(fù)荷的最壞組合情況下，做到運(yùn)轉(zhuǎn)無泄漏或旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間無接觸。
b) 經(jīng)得住水壓試驗。
附錄F條款F.1.1 （臥式泵）可以接受的管路配置不應(yīng)引起泵和驅(qū)動機(jī)之間過度不對中。管路配置產(chǎn)生的管口載荷在表5規(guī)定的范圍內(nèi)時，泵殼體變形應(yīng)限制在泵制造商設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的一半以內(nèi)（見6.3.3），并確保泵軸的位移小于250 μm。
【解讀】在泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間出現(xiàn)接觸摩擦是導(dǎo)致振動超標(biāo)、可靠性下降的主要因素之一。因此，壓力泵殼要有足夠的強(qiáng)度 - 確保在泵運(yùn)行過程中動、靜零部件之間無接觸。同時，在現(xiàn)場管路傳遞到泵接口上的負(fù)荷為表5的一倍值時，殼體的變形量不應(yīng)超過動、靜零部件之間總間隙值的一半。另外，在最壞組合情況下，要求泵底座的最大變形量（導(dǎo)致泵軸的徑向位移）不超過250 μm。
【建議】對于一些重要場合用泵，應(yīng)考慮到現(xiàn)場可能存在的最大接管載荷（往往達(dá)到表5中列出的允許管口負(fù)荷的2.5~4倍，甚至更大），并以此來核算壓力泵殼及底座的強(qiáng)度，避免過量變形、導(dǎo)致動/靜零部件之間發(fā)生摩擦或泵與驅(qū)動機(jī)之間過度不對中，引起振動和泵可靠性降低。
良好的對中可以大大提高泵組的使用壽命。泵組對中時需要注意的事項：
1） 對中基準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：泵腳的下面（泵腳與底座之間）不允許使用墊片。也就是說API泵（組）要求以泵為基準(zhǔn)進(jìn)行對中，并且規(guī)定了驅(qū)動機(jī)組件（如電動機(jī)+齒輪箱）下面所使用墊片的具體要求。
實際工程應(yīng)用中，對于一些大型機(jī)組，由于驅(qū)動機(jī)往往遠(yuǎn)重于泵（如帶有增速或變速設(shè)備的百萬機(jī)組核電站常規(guī)島主給水泵組），通常以驅(qū)動機(jī)為基準(zhǔn)進(jìn)行對中。
2） 熱膨脹影響。運(yùn)行過程中，泵送高溫介質(zhì)和泵組部件溫度的上升均會引起聯(lián)軸器安裝盤在不同方向上的熱位移（熱膨脹）。因此，對于一些大型、熱態(tài)復(fù)雜的泵組（如上述的主給水泵組），在冷態(tài)下進(jìn)行聯(lián)軸器對中時，必須對此熱位移進(jìn)行補(bǔ)償。
10.2 調(diào)試
正如上文所說的：每臺離心泵都有一個特定的流量運(yùn)行范圍，一旦超出該流量運(yùn)行范圍（如低于最小連續(xù)穩(wěn)定流量），將會引起內(nèi)部回流、汽蝕、額外的徑向力（特別是單蝸殼泵）及液體溫度的升高等，從而引發(fā)機(jī)械振動和噪音的顯著增加，輕則大大降低機(jī)械密封和軸承的壽命，重則發(fā)生斷軸、進(jìn)而導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)子及其配合零部件的嚴(yán)重?fù)p壞。
實際工程應(yīng)用中，不少用戶習(xí)慣性采用低負(fù)荷調(diào)試，使泵較長時間內(nèi)處于最小連續(xù)穩(wěn)定流量附近運(yùn)行；或者在產(chǎn)品調(diào)試期間由于對設(shè)備運(yùn)行維護(hù)手冊未充分理解，認(rèn)為離心泵可以在任何工況（包括最小連續(xù)穩(wěn)定流量以下、甚至零流量）下都能較長時間運(yùn)行；
再或者因為產(chǎn)品處于“質(zhì)保期內(nèi)”，極少數(shù)用戶為了防止正常運(yùn)行時出現(xiàn)誤操作，而在調(diào)試階段有意嘗試在某些禁止工況下運(yùn)行。對于離心泵來說，在最小連續(xù)穩(wěn)定流量以下運(yùn)行屬于破壞性運(yùn)行工況，必須避免或禁止。
10.3 運(yùn)行
由于缺乏經(jīng)驗，不少買方/工程公司/用戶很難準(zhǔn)確地計算出系統(tǒng)阻力，但為了確保性能滿足使用要求，從買方到設(shè)計方再到泵制造商，不得不層層增加（性能）安全余量，從而導(dǎo)致離心泵的選型不合理（泵型偏大），始終偏小工況運(yùn)行。這給用戶帶來一系列的問題：效率低下、可靠性降低、機(jī)械故障頻繁、運(yùn)行和維護(hù)成本不斷攀升。
【建議】實際工程應(yīng)用中，出現(xiàn)泵選型偏大的情況比較常見。最佳的處理措施及建議是：盡快與泵制造商聯(lián)系，更換新的、滿足現(xiàn)場實際性能的水力零件 – 葉輪。
10.4 現(xiàn)有產(chǎn)品提高可靠性的手段
隨著科技的不斷進(jìn)步，數(shù)字化或數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。對于離心泵行業(yè)來說，面臨的最現(xiàn)實的難題是：如何使你的泵適應(yīng)未來？同時業(yè)主和運(yùn)營商還想知道：如何使用數(shù)字化方法改進(jìn)圍繞泵維修和服務(wù)的流程以及如何使泵智能化（并提高運(yùn)行可靠性）？有沒有一種方法可以在不產(chǎn)生重大費(fèi)用的情況下啟動該流程？
答案是明確的：有，即對離心泵提供“狀態(tài)監(jiān)測”。狀態(tài)監(jiān)測不僅可以適時地監(jiān)測泵的運(yùn)行參數(shù)，而且還可以根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的變化進(jìn)行趨勢預(yù)測 – 確定泵的運(yùn)行狀態(tài)，并預(yù)測出機(jī)械零部件的使用壽命、故障可能發(fā)生的時間，以便在預(yù)期或規(guī)定的期限內(nèi)對問題進(jìn)行糾正。
如力士霸泵業(yè)2020年新推出的LSZH系列直連式戶外智能供水設(shè)備、LSZH系列直連式戶外智能供水設(shè)備，它可以配套遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至智慧供水管理平臺，實現(xiàn)智慧運(yùn)行、智能調(diào)控、遠(yuǎn)程啟停、設(shè)定壓力、以及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等。
該智能設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，包括三個組件：傳感器單元、變送器和電池單元、網(wǎng)關(guān)。借助戶外智能供水設(shè)備，每一臺泵都可以快速、輕松地集成到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）中。整個安裝和調(diào)試過程既快捷又高效，很容易將現(xiàn)有的泵變成智能泵，并使工廠和泵適應(yīng)未來[13]。
11 總結(jié)
影響離心泵運(yùn)行可靠性的因素主要包括泵本體設(shè)計、產(chǎn)品加工制造及裝配、配套件選型及設(shè)計和現(xiàn)場安裝應(yīng)用，只有管控好每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量，才能打造出高可靠性的產(chǎn)品。
12 參考文獻(xiàn)
[1] ANSI/API STANDAED 610 'Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries', ELEVENTH EDITION, SEPTEMBER 2010; ISO 13709: 2009 (Identical)
[2] UOP 5-11-7, CENTRIFUGAL PUMPS, STANDARD SPECIFICATION, 2005, Page 2 of 9
[3] 謝小青等，全面理解離心泵吸入比轉(zhuǎn)速，泵工程師，2020年4月號，總第80期，P27-31
[4] 謝小青、于麗紅，離心泵汽蝕安全裕量的探討，泵，2019年02期，總第145期，P44-54
[5] 謝小青等，吸入能量的解讀及其對離心泵的影響，泵友圈，2020年6月8日
[6] 半畝田，對可靠性設(shè)計的認(rèn)識，www.91zhiliang.com，91質(zhì)量網(wǎng)，2016-4-26
[7] F. KORKOWSKI, Flowserve; R.L.JONES, Consultant; and J.D.SANDERS, Fluor, 'What is new in API610 11th Ed. (ISO13709 2nd Ed.) ? ', HYDROCARBON PROCESSING, DECEMBER 2010
[8] ‘WHAT IS L3/D4 AND WHY IS IT GOOD FOR THE SEALS IF IT IS LOW?’, https://www.wwdmag.com, Apr 22, 2003
[9] API Standard 682 'Pumps - Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps', Fourth Edition, May 2014.
[10] 孔海艷、謝小青，高吸入壓力離心泵之工程設(shè)計經(jīng)驗，泵工程師，2019年6月號，總第75期，P41-47
[11] Tom Dabbs, Dan Pereira, ‘10 Steps to Pump Reliability’, https://reliabilityweb.com
[12] 謝小青，如何快速合理地選擇離心泵，泵管家，2018年8月29日
[13] 謝小青，如何讓泵適應(yīng)未來？德國KSB Guard技術(shù)，泵友圈，2020年9月4日
摘自：泵友圈
本文網(wǎng)址:http://m.fzgz.com.cn/news/802.html
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