Мониторинг и устранение вибрации и шума вертикальных полупогружных турбинных насосов

При превышении допустимого уровня вибрации вертикального полупогружного турбинного насоса первыми повреждаются зачастую не рабочие колеса, а направляющие подшипники, втулки вала и механические уплотнения. Вертикальные полупогружные турбинные насосы, такие как насосы типов VS1 и VS6, имеют относительно гибкие длинные валы, несколько промежуточных опор и двигатель, установленный высоко над напорной головкой. Такая конструкция изначально делает валовую систему более восприимчивой к вибрации.

Еще одна проблема заключается в том, что при большинстве эксплуатационных проверок на месте основное внимание уделяется только наличию вибрации, тогда как шум часто остается без должного внимания. На самом деле аномальный шум может быть ранним признаком развивающихся проблем с вибрацией. К тому моменту, когда вибрация достигает уровня аварийной или предупредительной сигнализации, износ компонентов уже может начаться.

В этой статье рассматриваются три ключевых вопроса: откуда возникает вибрация, как правильно ее измерять и что делать при превышении допустимого уровня?

1. Почему вертикальные полупогружные турбинные насосы особенно подвержены вибрации?

Три конструктивных фактора обычно усиливают проблему:

Высокая гибкость валовой системы:

Вал длиной в несколько метров, а иногда и более десяти метров, поддерживается в нескольких точках промежуточными направляющими подшипниками. В зависимости от конструкции могут применяться подшипники из резины, Thordon, графита и других материалов.

При увеличении зазора в любом из направляющих подшипников вал может начать совершать повышенные радиальные перемещения или прецессионное движение.

Структурный резонанс:

Двигатель и напорная головка образуют консольную конструкцию с собственной частотой. Если собственная частота конструкции приближается к частоте вращения насоса, вибрация может значительно усиливаться.

В инженерной практике между рабочей частотой и собственной частотой конструкции обычно предусматривают достаточный запас расстройки, как правило, не менее ±10 %.

Гидравлическое возбуждение:

Работа далеко от точки наилучшего КПД, кавитация, а также взаимодействие вращающихся и неподвижных компонентов — например, рабочего колеса и направляющих аппаратов или диффузоров — могут создавать дополнительные возбуждающие силы в роторной системе.

Эти факторы редко возникают по отдельности.

Одной из наиболее распространенных эксплуатационных ситуаций является сочетание работы при неблагоприятном расходе и износа направляющих подшипников.

При работе насоса за пределами рекомендуемого диапазона расхода радиальные гидравлические силы могут стать неравномерными, что увеличивает нагрузку на направляющие подшипники и ускоряет увеличение их зазора.

В свою очередь, увеличенный зазор дополнительно усиливает вибрацию, создавая положительную обратную связь.

Именно поэтому многие вертикальные полупогружные турбинные насосы становятся постепенно менее устойчивыми в процессе эксплуатации, а не выходят из строя внезапно.

2. Как измерять вибрацию: точки измерения, параметры и критерии оценки

Точки измерения и параметры

Точки измерения следует устанавливать на корпусе упорного подшипника и верхней опоре двигателя. Измерения выполняются в трех направлениях:

горизонтальном;

вертикальном;

осевом.

Для оценки используется максимальное зарегистрированное значение.

По возможности датчики следует устанавливать жестко с помощью резьбового крепления. Магнитные крепления и ручные измерения могут ослаблять высокочастотные компоненты сигнала и снижать повторяемость и точность измерений.

Соответствующие требования к монтажу акселерометров приведены в ISO 5348.

Основным параметром рекомендуется использовать среднеквадратичное значение (RMS) виброскорости, выраженное в мм/с, в диапазоне частот 10–1000 Гц.

Для оборудования с частотой вращения ниже 600 об/мин дополнительно следует измерять размах перемещения «пик-пик», поскольку виброскорость менее чувствительна к неисправностям очень низкой частоты.

Используйте два критерия оценки вибрации

При оценке необходимо учитывать одновременно:

абсолютную амплитуду вибрации;

изменение относительно установленного базового уровня.

Даже если текущее значение остается в допустимом диапазоне, увеличение примерно на 25 % относительно базового уровня должно стать основанием для дополнительной проверки.

Общая система оценки может основываться на зонах A/B/C/D, установленных в ISO 20816-1, с применением соответствующих предельных значений из ISO 20816-3 и специального стандарта для ротодинамических насосов — ISO 20816-7.

Процедуры измерения и анализа следует выполнять в соответствии с ISO 13373-1 и ISO 13373-2.

Различайте два основных отраслевых критерия

Для вертикальных полупогружных турбинных насосов типов VS1/VS6 стандарт ANSI/HI 9.6.4 устанавливает следующие пределы вибрации для предпочтительной области эксплуатации (POR):

≤3,3 мм/с для насосов мощностью менее 200 кВт;

≤4,3 мм/с для насосов мощностью 200 кВт и более.

Пределы для допустимой области эксплуатации (AOR) составляют соответственно 4,3 мм/с и 5,6 мм/с.

Для вертикальных насосов, применяемых в нефтехимической промышленности, API 610 устанавливает предел вибрации POR 5 мм/с и AOR 6,5 мм/с, а также дополнительные ограничения для отдельных дискретных частотных составляющих.

Применяемый стандарт всегда следует определять с учетом типа насоса, области применения, требований проекта и договорной документации.

Для сопоставимости измеряйте шум по уровню звуковой мощности

Для стандартизированных измерений шума в окружающей среде может применяться ISO 3744 с использованием метода измерительной поверхности.

Если остановка насоса невозможна или измерению мешает фоновый шум, может применяться метод измерения интенсивности звука по ISO 9614.

Для оценки воздействия шума на рабочем месте может использоваться ISO 11202 для определения уровня звукового давления излучения в положении оператора.

В отчете об измерениях необходимо указывать расход, частоту вращения и условия на всасывании в момент проведения измерения.

Без этих эксплуатационных данных результаты измерений шума трудно корректно сопоставлять между собой.

3. Использование шума для определения неисправностей

Различные неисправности обычно характеризуются определенными сочетаниями шума и вибрационных спектров.

Низкочастотный гул с выраженной составляющей 1× частоты вращения: обычно связан с дисбалансом ротора.

Выраженная составляющая 2× частоты вращения в сочетании с высокой осевой вибрацией: часто указывает на несоосность.

Выраженная частота прохождения лопаток (количество лопаток × частота вращения): может указывать на неравномерные зазоры или эксцентриситет между рабочим колесом и неподвижными компонентами.

Высокочастотный широкополосный шум, напоминающий звук циркулирующего гравия или песка: обычно связан с кавитацией.

Электромагнитный гул на частоте, в два раза превышающей частоту питающей сети: как правило, указывает на электрическую неисправность или проблему, связанную с двигателем.

Кавитация — одна из наиболее часто неправильно диагностируемых неисправностей

Кавитационный шум может быть похож на шум поврежденного подшипника.

Обычно он напоминает треск, потрескивание или звук циркулирующего гравия.

Однако частотный спектр кавитации, как правило, характеризуется широкополосным повышением энергии на высоких частотах, а не выраженным дискретным пиком.

Если после возврата насоса в предпочтительный диапазон эксплуатации уровень шума значительно снижается, вероятность кавитации существенно возрастает.

Это позволяет практически отличить кавитацию от механических неисправностей без немедленной остановки насоса.

4. Что делать при превышении допустимого уровня вибрации?

Целью не должно быть только снижение показаний вибрации. Необходимо определить и устранить ее первопричину.

Динамическая балансировка ротора

Вращающиеся компоненты следует балансировать в соответствии с ISO 21940-11, обычно до степени качества балансировки G2.5.

Для более ответственных применений может требоваться более высокий класс — G1.

Для вертикальных полупогружных турбинных насосов также нельзя игнорировать балансировку ротора двигателя. В некоторых случаях балансировка ротора двигателя оказывает большее влияние на общую вибрацию, чем балансировка ротора насоса, особенно при измерениях на верхней опоре двигателя.

Проверка соосности и прямолинейности вала

Проверьте концентричность и соосность между головным валом и валом двигателя.

Для двигателей с полым валом необходимо проверить состояние и посадку стабилизирующей втулки (steady bushing).

Для двигателей с цельным валом следует использовать прецизионную муфту и тщательно проверить ее соосность.

Предотвращение структурного резонанса

Выполните анализ собственных частот напорной головки и опорной конструкции двигателя.

При необходимости установите дополнительные опоры или ребра жесткости либо измените жесткость опорной плиты, чтобы сместить собственную частоту конструкции относительно рабочей частоты.

Этот этап часто упускается из виду, однако для насосов с высоко установленными двигателями он может быть одним из наиболее эффективных способов устранения повышенной вибрации.

Верните насос в эффективный диапазон эксплуатации и проверьте NPSH

Верните расход к предпочтительному рабочему диапазону насоса — обычно 70–120 % от точки наилучшего КПД (BEP) — и убедитесь, что имеющийся кавитационный запас NPSHa является достаточным.

Замените промежуточные направляющие подшипники и втулки вала

Проверьте зазор направляющих подшипников и состояние каналов подачи воды для смазки.

Если зазор превышает установленный допуск, подшипник необходимо заменить, а не пытаться устранить вибрацию только регулированием расхода.

Проверьте фундамент и напряжения в трубопроводе

Проверьте:

наличие пустот или недостаточный контакт под вторичным слоем подливки;

чрезмерные напряжения или принудительную подгонку напорного трубопровода;

неправильное или недостаточное количество опор трубопровода;

неправильную установку или фиксацию компенсаторов.

Значительная часть проблем с вибрацией насоса может возникать вне самого насоса.

Звукоизоляционные кожухи и виброизоляция фундамента: крайние меры

Такие меры следует рассматривать только после устранения основных механических, гидравлических, структурных и монтажных причин, если насос по-прежнему не соответствует применимым требованиям по уровню шума на рабочем месте.

Заключение

Вибрация и шум — это не две независимые проблемы. Это два различных сигнала, поступающих от одной и той же машины: вибрация часто является результатом, тогда как аномальный шум может служить ранним предупреждающим признаком.

Наиболее эффективный подход к диагностике заключается в установлении точных базовых измерений с использованием серии стандартов ISO 20816, регистрации условий эксплуатации и измерений в соответствии с ISO 13373, а затем последовательной проверке системы — от гидравлических условий к механическим компонентам, конструктивным особенностям, фундаменту и трубопроводам.

Сначала необходимо устранить первопричину. Только после этого следует рассматривать применение звукоизоляционных кожухов или виброизоляционных мероприятий.

Самый простой и эффективный подход — установить фиксированные точки измерения и контролировать их ежемесячно, по возможности используя одни и те же точки, направления и условия эксплуатации.

Таким образом, оборудование само может «сообщать» о своем техническом состоянии.

Во многих случаях развивающийся износ направляющих подшипников, ухудшение состояния уплотнений и даже возможные повреждения вала можно выявить и устранить до возникновения незапланированной остановки.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как часто следует измерять вибрацию?

Для ответственных агрегатов рекомендуется непрерывный мониторинг при наличии системы онлайн-контроля технического состояния.

Для насосов общего назначения практичным подходом являются ежемесячные измерения, а также дополнительные измерения после существенных изменений условий эксплуатации.

Какой предел вибрации следует использовать при приемочных испытаниях нового насоса?

Заводские испытания должны проводиться в соответствии с применимыми критериями заводской приемки ANSI/HI 9.6.4.

Приемка на объекте должна выполняться согласно соответствующим критериям приемки на месте.

Для нефтехимических проектов следует применять API 610, если это предусмотрено контрактом или требованиями проекта.

Что делать, если вибрация находится в допустимом диапазоне, но насос работает необычно шумно?

Наиболее вероятными причинами являются кавитация, двухфазный поток или чрезмерное дросселирование клапаном.

В первую очередь проверьте рабочую точку насоса и условия на всасывании, а не используйте звукоизоляционный кожух для маскировки основной проблемы.

Можно ли использовать шум для прогнозирования отказа вертикального полупогружного турбинного насоса?

Шум может служить ранним предупреждающим сигналом некоторых развивающихся неисправностей, особенно кавитации, гидравлической нестабильности, проблем с подшипниками и электрических неисправностей.

Однако шум следует оценивать совместно с измерениями вибрации, эксплуатационными параметрами и частотным анализом, а не использовать как единственный диагностический показатель.