成离心泵与管系的共振问题

文章编号：１０００．８２４１（２０１　１）０７—０５３　１－０２　成离心泵与管系的共振问题　李文东杨嘉赫飚张世彬高百东　（中国　油火然气管道局，河北廊坊０６５０００）　李文东等．离心泵与管系的共振问题．油气储运，２０１ｌ，３０（７）：５３２—５３３　摘要：针对宁波大榭岛燃料油库消防水泵在负荷试车与运行过程中存在噪声高、振动大、轴温高级填　料函处冒蒸气和油烟等问题，运用ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ软件的动态分析功能对比分析离心泵的固有频率和　管道的振动频率。结果表明：由于泵出口设置了软连接伸缩器，使得６台泵出口附近的管系振动频　率均与离心泵的固有频率非常接近，导致离心泵与其进出口连接管系产生共振。因此，提出了在设　计初始阶段应采取相应措施以避免发生类似问题的建议。　关键词：离心泵；连接管系；共振；应力分析；振动频率；固有频率　中图分类号：ＴＥ８９　文献标识码：Ａ　宁波大榭岛燃料油库周转油品为燃料油和重质原　油，总库容３００×１０　１ＴＩ　，包括ｌ０×１０　１ＴＩ　浮顶钢油罐　６座和１０×１０　ＩＴＩ　浮顶钢油罐ｌ０座。辅助生产设施　包括油泵问、流量计问、消防加压泵站等，其中消防泵　区域，振动烈度　重超过标准规定值。　表１　机械振动级别划分　支撑类型区域边界位移均方根／ｇｍ速度均方根／（ｍｍ・Ｓ　）　站设置１座消防泵房和２座３　０００　ｒｎ　消防水罐，泵房　内设消防冷却水泵４台，泵流量为４３２　１１１　／ｈ，泵扬程为　１６０　Ｉｌｌ，泵功率为４５０　ｋＷ；泡沫混合液泵２台，泵流量　为４３２　ｍ　／ｈ，泵扬程为１６０　ｍ，泵功率为４５０　ｋＷ。　２原因分析　１存在的问题　经过计算分析，确认泵的有效汽蚀余　、　础设　‘　消防冷却水泵工况为３开１备，泡沫混合液泵工　况为１歼１备。消防水泵在负荷试车与运行过程中，　存在噪声高、振动人、轴温岛级填料函处冒蒸气和油烟　等问题，影响正常运行和操作。　依照ＧＢ／Ｔ６０７５．３－－２００１《在非旋转部件上测量　和评价机器的机械振动：额定功率大于１５　ｋＷ的机　和安装均满足要求，不足导致Ｉ　述问题的原凶所住。　【大】此，运用ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ软件的动态分析功能对比分析　离心泵固有频率和管道的振动频率。　ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ软件动态分析原理：管系对同等人小　动态载荷和静态载荷的响应完全不同。静态载荷施力Ｉ　ｌ缓慢，管道系统有足够的时间来响应并在系统内部进　器》，此消防水泵属于Ｉ类机械，振动级别划分为４级　（表１），新交付机械的振动一般处于Ａ级区域，若处于　Ｄ级振动区域，其振动烈度足以导致机械损坏。根据　运行工况和特征，现场对１号消防冷却水泵机组进行　震动烈度测试，速度均方根值实测数据：自由端水平方　向值为２４．３４　ｍｍ／ｓ，垂直方向值为２５．８　ｍｍ／ｓ，输入端　行分配，使整个系统保持平衡，力和力矩均被消除；动　态载荷随时间快速变化，管系没有时间在内部分配载　荷，力和力矩小能消除，导致产生小　和载荷，管道发　生运动。当系统承受动态载荷时，可以利用小川的分　析方法来定义系统的响应。ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ提供谐波求解、　响应频谱和时程分析等方法来分析不同的动态载荷以　优化计算正确性与计算要求之问的关系。Ｔ程实践Ｌ｝ｌ　的谐波载荷特性曲线是指在固定的时间，Ｉ吉Ｊ期内，载倚　水平方向值为２３．０２　ｍｍ／ｓ、垂直方向值为２５．７　ｍｍ／ｓ。　结果表明：该刚性支撑的消防水泵振动处于Ｄ级振动　５３２　１　ｗｗｗ．ｙｑｃｙ．ｎｅｔ　Ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａ　ｐｕｍｐ　ａｎｄ　ｐｉＩ　ｐｅｌｉｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｌ■■■●嗣　以谐波曲线在最小到最大范围内变化的方向或大小，　振动频率，因此推断伸缩器是导致振动产生的原因。　通过如下函数来描述：　表２　伸缩器软连接时泵出口附近管系的振动频率　，（ｆ）＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（ｃｏｔ＋Ｑ）　泵号　振动频率／Ｈｚ　泵　振动频率／Ｈｚ　式中：，（ｆ）为力的范围，Ｎ；　为平均力，Ｎ；　为相对于　ｌ号泵　２４．７１６　９　４号泵　２６．７５６　７　２号泵　２４．７ｌ６　９　５号泵　２７．６６７　７　平均力的最大和最小变化范围，Ｎ；∞为角频率，ｒａｄ／ｓ；　３号泵　２６．７５６　７　６号泵　２５．７７６　１　Ｑ为相位角，ｒａｄ；ｔ为时间，ｓ。　ＣＡＥＳＡＲ　ＩＩ软件通过以上基本原理求解管系的　３解决措施　振动频率。一个系统的固有频率原则上不应与设备的　操作频率太接近，按照一般规律，与较低的固有频率相　为了验证伸缩器对管系振动频率的影响，将模型　比，较高的固有频率对系统的破坏性较小。　中的软连接伸缩器改为硬连接，计算泵出口附近管系　取相应的输入边界条件搭建模型（图１），假设安　的振动频率（表３）。　装环境温度为２１．１１℃；运行时介质温度为３０℃，介　表３　伸缩器硬连接时泵出口附近管系的振动频率　质压力为１．６　ＭＰａ；外形规格为２７３．１　ｍｍ×７．１　ｍｍ的　泵出口　振动频率／Ｈｚ　泵出口　振动频率／Ｈｚ　钢管，材质选取ＡＰＩ一５Ｌ　Ｂ，密度为７．８３　ｇ／ｃｍ　，外形规　１号泵出口４６．２６８　８　４号泵出口４９．１３７　９　格高于ＤＮ２５０的钢管，材质选取ＡＰＩ．５Ｌ　Ｘ６５，密度亦　２号泵出口　４８．８Ｏ１　５　５号泵出口４９．１４３　８　３号泵出口　４８．８Ｏｌ　５　６号泵出口４８．６９０　８　为７．８３　ｋｇ／ｃｍ　。　将伸缩器改为硬连接后，泵出口管系振动频率显　著提高，使管系的振动频率避开离心泵的固有频率，有　效降低了泵的振动，噪声降低、机械密封渗漏减少，达　到了正常运转和操作要求。因此，在离心泵进出口管　系的设计过程中，应充分考虑泵与管系共振的问题，在　设计初始阶段采取相应措施以避免类似问题发生。　图１　取相应输入边界条件搭建的管系模型　离心泵配套电机转速为１　４８０　ｒｐｍ，在运行过程　（收稿日期：２００９—１２—０８）　中，泵体振动的固有频率主要取决于电机轴承的旋转，　可以近似认为离心泵固有频率与电机频率相同，为　２４．６７　Ｈｚ。动态分析泵出口附近管系的振动频率（表　２），结果表明：６台泵出口附近的管系振动频率均与离　作者简介：李文东，高级工程师，１９６４生，２００８年硕士毕业于北京　心泵固有频率相近，极易导致两者发生共振。因泵出　交通大学工商管理专业，现主要从事企业管理工作。　口设置了软连接伸缩器，从而大大降低了整体管系的　电话：Ｏ３１６—２１７１５５８；Ｅｍａｉｈ　ｌｉｗｅｎｄｏｎｇ＠ｃｎｐｃ．ｔｏｍ．ｃｎ　ｗｗｗ．ｙｑｃｙ．ｎｅｔ］５—３—３