離心泵故障模擬試驗臺設計與搭建

谷 明，王金江

（1.中海油田服務股份有限公司，河北三河 065201；2.中國石油大學（北京），北京 102249）

0 引言

泵是用來增加液體能量的機械，屬于流體機械，被廣泛運用于農業、能源、化工、礦業、制造業等領域。目前泵的產量僅次于電機，所消耗的電量大約為總發電量的1/4[1]。在石油化工和油氣儲運行業里，離心泵是普遍使用的設備之一。隨著社會經濟的發展，工藝技術水平的不斷提高，其對離心泵的依賴程度越來越高。針對不同應用需求產生了各種離心泵，如高速離心泵、大功率離心泵、低空化余量離心泵、高入口壓力離心泵、高溫離心泵、低溫離心泵、無泄漏離心泵和耐腐蝕離心泵等多種分類。在日常生產中，離心泵在使用過程中發生故障較多，正確分析和判斷，才能準確迅速地找出真正原因，加以排除，減少損失，保證泵的正常運轉。

國內外對于離心泵試驗臺的研究從未停止。李祥陽等設計并搭建了一種高可靠性旋渦泵試驗系統，由試驗工作臺、電氣控制系統及計算機測試系統組成，通過優化信息管理系統和自動控制技術，提高試驗臺的精度和可靠性[2]；耿超等設計了一種基于功率回收式的液壓泵試驗臺油路系統，針對所要進行的實驗對主油路模塊所要進行的實驗進行設計，并進行校核，使其滿足試驗臺的使用要求[3]；高紅斌等設計了一種基于虛擬儀器的離心泵試驗系統，該系統可以快速、準確地將采集到的管內流體壓力、流量和泵體振動等數據處理后在人機交互界面顯示，具有可操作性強、可移植性好、自動化程度高等優點[4]；孔繁余等研制了一種離心泵作透平試驗臺，并對比其手動和自動2 種方式的優缺點，調研輸油站場常用離心泵，整理其型號、性能、安裝方式和常見故障等方面的資料；對試驗臺所使用的離心泵、電機、變頻器、傳感器和采集卡等主要部件進行選型，結合相關標準和實際需求，設計并搭建離心泵故障模擬試驗臺；設計并加工故障部件，利用試驗臺模擬汽蝕、轉子不平衡、轉子不對中和軸承磨損等四種故障，獲得離心泵在故障發生時的溫度、壓力、流量和振動參數，以及電機的轉速、功率等參數；最后使用Matlab 分析振動的信號特征，并對試驗臺性能進行檢驗。為測試泵作透平的水力性能提供了可靠實驗依據[5]。

1 離心泵故障模擬試驗臺需求

在搭建試驗臺之前，需要明確其主要功能和所需要的主要功能模塊各方面要求。從需求出發，試驗臺系統可劃分為機械部分、電氣控制部分、計算機測試部分3 個方面進行設計。

（1）機械部分。機械部分應具有常規離心泵輸液系統的功能，這部分的主要部件應該包括離心泵、電機、聯軸器、水箱、管線、閥門。

（2）電氣控制部分。電氣控制部分主要是為電機配備1 個變頻器，此外，還需要安裝1 個電氣柜，包括空氣開關、保險開關、有功電表等，需要根據電機和變頻器的使用要求來配置。

（3）計算機測試部分。計算機測試部分具體為傳感器和采集卡的設計，其主要功能為采集離心泵在各種故障狀態下的各方面參數。計算機測試部分所要采集數據的需求為功率、轉速、流量、泵入口管路壓力、泵出口管路壓力、泵入口管路溫度、泵出口管路溫度、轉子徑向振動、水平方向振動、垂直方向振動等。

2 離心泵故障模擬試驗臺設計與搭建

試驗臺應立足于故障模擬實驗的需求，參考國家標準，結合實驗室現場的實際情況進行設計和搭建。此外，設計時還應進行系統優化，提高其適用性。

2.1 試驗臺設計

離心泵的選型依據應考慮液體輸送量、裝置揚程、液體性質、管路布置和操作運轉條件等5 個方面。在實驗室條件下搭建離心泵故障模擬試驗臺，應具有較強的適用性。本節選擇的離心泵需要滿足結構簡單、結構典型、性能穩定、拆裝方便、維護方便和維修方便這些特點，并且能夠達到方便模擬、明顯顯現離心泵故障特征的目的。單級雙吸離心泵能夠自動平衡軸向力，工作平穩可靠并且維修方便，只需要打開泵蓋即可取出轉子，不需要對管路和電機進行拆裝，在很大程度上方便了轉子上故障零件的加工和故障零件的替換。選擇上海連城泵業的SLOW80-220（Ⅰ）A 型單級雙吸離心泵作為實驗用泵。確定離心泵型號之后，根據離心泵的參數性能，對試驗臺其余部分進行選型和校核，設計的試驗臺如圖1 所示。

圖1 試驗臺三維整體模型

2.2 傳感器與數據采集系統設計

傳感器需要根據國家標準，并結合實驗的精度需求選擇。選擇LST-131 型壓力變送器、PT100 型溫度變送器、603M170型加速度傳感器和LDG-MIK-DN80 型電磁流量計。選定入口直管的185 mm、350 mm 處和出口直管的130 mm、260 mm處安裝壓力和溫度變送器。4 個加速度傳感器分別安裝于離心泵兩端軸承座的水平和豎直方向。壓力變送器安裝位置焊接一個M20-Φ100 材料為304SS 的壓力表接頭。加速度傳感器使用穩固性好的粘結劑鐵水泥固定，可避免在離心泵泵體表面上打孔，并有較好頻率響應傳送性能。工控機選擇BECKOFF CX5130 型工控機。電機變頻器選擇PLC 串口模塊控制器EL6021 控制。壓力、溫度、流量、振動模擬信號通過信號電纜和同軸電纜傳輸至數據采集組件。搭建完成的試驗臺如圖2 所示。

圖2 試驗臺整體

圖3 離心泵故障狀態頻域

3 離心泵故障模擬實驗設計

在已經搭建好的離心泵故障模擬試驗臺上模擬離心泵在各故障發生時的運行狀態，獲得泵運行時的流量、進出口壓力和進出口溫度等物理量，分析數據并得到結論。主要步驟:①對嚴重汽蝕、轉子不平衡、轉子不對中和軸承磨損4 種常見故障進行設計；②在筆記本電腦上編寫好數據采集的程序，并做初步的調試，然后按照汽蝕、轉子不平衡、轉子不對中、軸承磨損的順序進行實驗；③數據采集持續540 s，壓力、溫度、流量每隔5 s 存儲1 個點，獲得108 個點并儲存在同一文件中，加速度傳感器每隔5 s 采集1 次，1 次持續0.4 s，獲得100 組數據；④實驗結束后對所采集到的數據進行分析，并對比正常狀態和4 種故障狀態的特征。

對比4 個振動傳感器在正常狀態和不同故障狀態下的頻域圖，如圖3 所示，汽蝕故障、轉子不平衡和軸承磨損故障下頻域圖不明顯，其故障特征還需要進一步地分析。轉子不對中故障頻域圖與正常狀態下差別較大，垂直方向16 倍頻較為明顯，水平方向3 倍頻較為明顯，轉子不對中故障附加的激振力較好地在頻域圖上表現出來。模擬汽蝕故障時，其流量和泵入口壓力有較為明顯的變化，流量出現明顯的下降，泵入口壓力升高。正常運行狀態下流量平均值為94.98 m3/h，三次汽蝕故障模擬中分別下降至72.47 m3/h、21.67 m3/h、7.44 m3/h。通過以上4 種離心泵常見故障的模擬，該試驗臺各部分功能運行狀況良好穩定。轉子不平衡和軸承磨損故障特征不明顯，可以對其振動特性進行進一步分析，也可以通過增加轉子不平衡附加質量、提高軸承磨損度來獲得故障更加嚴重時的工況數據。

4 結論

設計并搭建離心泵故障模擬臺，經過前期調研、中期設計、后期檢驗3 個環節，完成了一個具有良好適用性的離心泵故障模擬試驗臺。設計離心泵故障模擬實驗，并使用離心泵故障模擬試驗臺完成實驗，獲得離心泵在不同故障工況下的數據。對實驗中采集到的數據進行分析處理，檢驗試驗臺性能，該試驗臺能夠較好地完成離心泵典型故障模擬實驗。