长轴立式螺杆泵异常振动分析及对策

张迪

（中海油石化工程有限公司，山东济南 250000）

[关键字] 单螺杆泵；失效分析；高振动

1 前言

单螺杆泵又称为偏心转子泵，具有流量均匀、输出压力稳定、自吸能力强、噪音低等有点，且可用于输送含固体的介质及不同粘度的介质，对于输送含固态物的污油、污水等介质的工况，具有不易替代的作用[1]。

伊拉克某油田脱气站闭排系统采用了立式单螺杆泵输送闭排罐内污油水介质，立式螺杆泵由电动机、减速机、轴承箱等驱动，部件安装于闭排罐顶部。泵定子、转子及排液室均位于罐内，闭排泵吸入口位于罐底液面以下，且泵入口法兰在径向被安装在罐底的环形支座束缚，减小长轴泵底部径向摆动。立式螺杆泵设计参数如下：额定流量50m3/h，额定运行压力2.0MPa，额定功率为45kw，驱动装置采用了工频电机，额定转速为310rpm。

闭排泵以水作为介质进行单机试运行时发生剧烈振动，本文从单螺杆泵振源分析入手，对立式螺杆泵振动超标问题进行了深入分析，找出剧烈振动主因，提出了切实可行的改造方案，改造后振动大幅度降低，满足长周期运行需求。

2 闭排泵试运行状况

闭排泵采用水做为试车介质，试车过程按照GBT29531《泵的振动测量与评价方法》[2]进行测量，测量位置见图1：

图1 立式螺杆泵振动测点及方向

泵启动后振动剧烈，采用手动测振仪检测1、2、3、测点振动值分别为：17.6mm/s、13.5mm/s、10.6mm/s。

GBT29531在评价泵的振动级别时将泵按照中心高度（立式泵出口法兰密封面到泵轴线间的投影距离）和转速分为四类，本文中闭排泵应归为第一类泵，按照最低C级合格指标，泵各位置振动值不应超过2.8mm/s，无论从现场观感还是实测数据来判断，闭排泵都无法通过测试验收。

JBT8466《单螺杆泵》[3]机械行业规范对泵振动评价进行转速和流量分类，本文所述闭排泵属于第三类泵，按照最低C级振动合格指标，泵各位置振动值不应超过7.1mm/s，该标准对振动值要求较低，但实测振动值依然超标。

3 振动原因分析

单螺杆泵振动超标的原因众多，常见的原因如下：泵与电动机不同心；螺杆泵与衬套不同心或间隙大、偏磨；泵内有气；安装高度过大导致泵汽蚀；泵筒内进入异物等情况。现场对如上因素逐一进行排查，对闭排泵进行拆解检查，装配及安装均符合技术要求[4]。重新复核闭排泵出厂测试报告发现，闭排泵在工厂以平卧式平台进行测试，测试过程对泵筒进行了多点刚性束缚，而测试过程中振动值最大处为5.7mm/s，超过GBT29531允许值，而厂家以单螺杆泵标准通过了出厂验收。现场单机试运时在出口压力为0.8MPa的工况下运行，电机运行电流为44A，与工厂测试相同工况时的45A相差很小，综合判断泵组的泵送原件没有发生故障。

单螺杆泵由于转子在橡胶定子中做自转和公转的行星运动，分别产生转动惯量和离心力，进而引发振动。设转子偏心距为e，转子离心力为F，转子质量为m，转速为n，则可近似得出式（1）

转子产生的离心力受泵外筒及刚性固定点束缚，如离心力过大则泵会产生难以控制的振动。从式（1）可以看出，转速对于单螺杆泵振动影响最大，其次是转子质量及转子偏心距。克服离心力的泵筒刚度及刚性固定束缚点数也对振动有较大影响[5]。

工厂测试过程中对如下图2所示A、B、C、D、E五个点均进行刚性固定，而现场安装后仅B和E两固定点束缚，因而造成现场单机测试振动值远高于工厂测试。

图2 闭排泵刚性束缚点

4 改造方案分析

鉴于闭排泵转子质量及偏心距无法改动，因此改造方案以提高泵整体刚度、增加束缚点为主线，以达到满足要求较低的JB8466标准允许值为改造目标。

由于闭排罐内表面已完成内防腐，内部无法进行焊接作业，且考虑罐底部已有束缚点，因此第一次改造方案主要增加泵地面以上部分刚度及刚性束缚点数，具体方案见下图3，斜撑与地面混凝土基础固定。

图3 外部支架改造图

改造完成后进行二次试运行测试，按照图1测点1、2、3处振动值分别为6.8mm/s、5.7mm/s、4.5mm/s，改造后振动值显著降低，符合JB/T8644标准相关要求，闭排泵生厂商技术人员认为该测试结果符合技术要求，因此持续进行4小时机械运转试验，在测试运转后期泵体突然发生剧烈振动。

将泵拆卸后发现，罐底部用于束缚泵筒的支座发生断裂，泵筒与泵安装面板的焊缝出现裂纹，见图4、图5。

图4 支座金属断裂

图5 泵套筒焊缝裂纹

为了进一步降低振动，只能采用降低泵转速方案。经工艺技术人员核算，泵转速降低至210rpm时，泵流量可以达到30m3/h，可以满足排液需求。通过更换低速电机，将泵转速降低至210rpm后再次测试，1、2、3点处振动值分别为1.3mm/s、1.0mm/s、0.6mm/s，振动烈度低于GBT29531标准规定的要求，满足长周期稳定运行条件。

结论

单螺杆泵振动原因众多，本文所述立式螺杆泵为泵本体设计刚度不足、设计转速过高原因导致振动超标，经多次改造后最终满足长周期稳定运行条件。

实践表明，长轴立式螺杆泵不宜单一采用JB/T8644振动标准进行测试验收，应根据泵的运行工况，综合分析，制定合乎实际的振动状态评价标准。