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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從水力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品加工制造與裝配、到配套件的選型與設(shè)計(jì)、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(jì) 應(yīng)用
0 背景
隨著社會(huì)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(xiàng)指標(biāo)也越來越受到人們的關(guān)注，其中最關(guān)鍵的一個(gè)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(xiàng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)計(jì)、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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)定義為高SE。而當(dāng)SE值大于等于1.5倍高SE值時(shí)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(bào)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(shí)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(shí)間相關(guān)的質(zhì)量指標(biāo)，泵只能在一定的時(shí)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(jì)、產(chǎn)品加工制造及裝配、配套件選型及設(shè)計(jì)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(jì)
1） 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
2） 水力設(shè)計(jì)
3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jì)
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(huì)標(biāo)準(zhǔn)ANSI、美國石油協(xié)會(huì)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(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再到配套零部件的選型與設(shè)計(jì)，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(yàn)證和運(yùn)行實(shí)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(diǎn)，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(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，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(jì)
優(yōu)秀的水力設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮現(xiàn)有的工業(yè)水平和制造廠經(jīng)驗(yàn)。
【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(yàn)，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(shí)，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(jì)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(shí)際工程使用經(jīng)驗(yàn)，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(diǎn)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(gè)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(shí)將導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲的顯著增加、可靠性下降。
【建議】對于已發(fā)貨的實(shí)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(jì)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(dòng)和小流量時(shí)的低頻振動(dòng)。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(dòng)超標(biāo)，上述間隙因素有可能是引起的主要原因。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，其實(shí)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(shí)，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(dòng)。
【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(jì)
影響可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)問題等。
如何從設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)裕度（安全系數(shù)）。
6） 必要時(shí)采用冗余設(shè)計(jì)。
7） 失效安全設(shè)計(jì)。
8） 安全壽命設(shè)計(jì)。保證使用中不發(fā)生破壞而充分安全的設(shè)計(jì)。
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(yàn)，在沒有現(xiàn)成數(shù)據(jù)和可用的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，這是唯一的手段。
標(biāo)準(zhǔn)中與可靠性設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)，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(diǎn)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(gè)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(jì)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(diǎn)位置運(yùn)行、水力徑向負(fù)荷過大的地方，泵軸可能會(huì)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(jì)，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(jì)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(jì)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(huì)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(shí)。橫向分析能夠預(yù)測出何時(shí)可能發(fā)生這種重合，以及由此引起的振動(dòng)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(shí)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(shí)更敏感。與其它類型的旋轉(zhuǎn)設(shè)備相比，泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)涉及到更多的設(shè)計(jì)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(shí)，臨界轉(zhuǎn)速提高，而當(dāng)軸向力為壓力時(shí)，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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)（TIR）不大于25 μm。
【解讀】限制軸的跳動(dòng)的主要目的是避免泵運(yùn)行過程中振動(dòng)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(shí)際工程應(yīng)用中，新軸的跳動(dòng)值通常要求控制在0.02 mm以內(nèi)。
對于泵軸最大允許跳動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dú)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(dòng)平衡到ISO 1940-1 G1.0級……
【解讀】轉(zhuǎn)子不平衡是引起泵振動(dòng)的一個(gè)非常重要的因素，轉(zhuǎn)子最好作為一個(gè)整體來進(jìn)行動(dòng)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(yàn)?zāi)芰Φ闹萍s，有些轉(zhuǎn)子無法進(jìn)行整體動(dòng)平衡試驗(yàn)，可以進(jìn)行分體動(dòng)平衡（如懸臂泵轉(zhuǎn)子可以采用芯軸僅對葉輪進(jìn)行動(dòng)平衡）。ISO1940-1標(biāo)準(zhǔn)允許進(jìn)行分體動(dòng)平衡，但要求“每個(gè)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(yàn)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(dòng)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(dòng)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(huì)發(fā)生變化，平衡精度等級無法得到保持。因此，對于動(dòng)平衡精度等級要求，實(shí)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(yàn)證，完全能滿足泵的可靠性要求。
【建議】動(dòng)平衡之前，應(yīng)檢查泵轉(zhuǎn)子葉輪口環(huán)處的跳動(dòng)，不應(yīng)超過設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)根據(jù)良好的機(jī)械工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(jì)
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(cái)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，特別強(qiáng)調(diào)靈活運(yùn)用。
【建議】工程實(shí)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(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，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(gè)徑向軸承和一個(gè)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(dòng)徑向軸承和滾動(dòng)推力軸承；
- 流體動(dòng)壓徑向軸承和滾動(dòng)推力軸承；
- 流體動(dòng)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(dòng)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(shí)，必須采用流體動(dòng)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(shí)際工程應(yīng)用中，通常按兩倍的實(shí)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(jì)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(dòng)壓軸承也可采用滾動(dòng)軸承，從承載能力和使用壽命來說流體動(dòng)壓軸承具有明顯的優(yōu)勢，但卻無價(jià)格優(yōu)勢。在選型時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素。對于普通流程泵，盡可能采用滾動(dòng)軸承。
9 選型
當(dāng)泵制造商收到買方的詢價(jià)資料時(shí)，需要進(jìn)行的第一項(xiàng)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(gè)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(jì)的。當(dāng)泵型合適且運(yùn)行于最佳效率點(diǎn)（BEP）時(shí)，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(dòng)。
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(huì)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(dòng)并產(chǎn)生過度的熱量，所有這些都會(huì)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(dòng)態(tài)的，并且實(shí)際流量和壓力要求會(huì)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(gè)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(jì)成：
a) 在同時(shí)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(gè)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(yàn)。
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(dòng)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(shí)，泵殼體變形應(yīng)限制在泵制造商設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)、靜零部件之間無接觸。同時(shí)，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(shí)，殼體的變形量不應(yīng)超過動(dòng)、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(dòng)/靜零部件之間發(fā)生摩擦或泵與驅(qū)動(dòng)機(jī)之間過度不對中，引起振動(dòng)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(shí)需要注意的事項(xiàng)：
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(dòng)機(jī)組件（如電動(dòng)機(jī)+齒輪箱）下面所使用墊片的具體要求。
實(shí)際工程應(yīng)用中，對于一些大型機(jī)組，由于驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(huì)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(shí)，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(gè)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(huì)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(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)子及其配合零部件的嚴(yán)重?fù)p壞。
實(shí)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(shí)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(shí)間運(yùn)行；
再或者因?yàn)楫a(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(shí)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(yàn)，不少買方/工程公司/用戶很難準(zhǔn)確地計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)的難題是：如何使你的泵適應(yīng)未來？同時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(jì)、產(chǎn)品加工制造及裝配、配套件選型及設(shè)計(jì)和現(xiàn)場安裝應(yīng)用，只有管控好每個(gè)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(jì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，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
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