Поширені несправності, причини та способи усунення при роботі відцентрового насоса

Відцентрові насоси є одними з найбільш широко використовуваних обертових пристроїв у промислових процесах, які зустрічаються майже скрізь, від нафтохімії та виробництва електроенергії до металургії, від міського водопостачання до сільськогосподарського зрошення. Однак багато насосів не досягають свого проектного терміну служби-стандартний відцентровий насос, який працює поблизу оптимальної точки ефективності та належним чином обслуговується, може прослужити від 15 до 20 років або навіть більше 25 років. Насправді велика кількість відцентрових насосів передчасно виходить з ладу, потребує частих ремонтів і викликає значні втрати виробництва через незаплановані простої.

У цьому документі систематично ідентифікуються загальні несправності в роботі відцентрових насосів, аналізуються їхні механізми, шляхи відмов і руйнівні характеристики, а також на основі таких стандартів, як API 610 та інженерної практики, пропонується повна стратегія управління життєвим циклом, від вибору конструкції та експлуатації/технічного обслуговування до моніторингу стану. Ця стаття спрямована на те, щоб допомогти керівникам обладнання виявити приховані ознаки несправності, створити систему прогнозованого технічного обслуговування та істотно подовжити термін служби відцентрових насосів і підвищити надійність агрегату.

 

 

• Радіальна сила і прогин валу

Радіальна сила - це результуюча бічна сила, що діє на вал насоса, коли робоче колесо працює поза його проектними умовами. Коли насос відхиляється від точки оптимальної ефективності (BEP), розподіл тиску всередині спіралі стає нерівномірним, а тиск навколо робочого колеса стає асиметричним, створюючи радіальну силу, спрямовану в певному напрямку. Величина цієї сили змінюється залежно від швидкості потоку – чим менша швидкість потоку, тим більша радіальна сила; чим вище швидкість потоку, тим більше радіальна сила; лише на BEP радіальна сила мінімальна.

 

Небезпека радіальної сили полягає в її «прихованій» природі. Під дією радіальної сили ідеально прямий вал насоса при зупиненому насосі може зігнутися під час роботи; після зупинки вал повертається у своє пряме положення. Це означає, що звичайні перевірки статичного вирівнювання не можуть виявити проблему. Вал насоса, що працює зі швидкістю 3550 об/хв, згинається (відхиляється) 7100 разів на хвилину, 426 000 разів на годину та понад 3,7 мільярда разів на рік. Ця високочастотна-перемінна напруга є основною причиною поломки механічного ущільнення та передчасного виходу з ладу підшипника. Високі радіальні сили, що спричиняють відхилення валу, ускладнюють контакт ущільнювальних поверхонь, порушуючи шар рідини, необхідний для ущільнення. Одночасно вони перевантажують радіальний підшипник, а термін служби підшипника експоненціально пов’язаний із зміщенням – зміщення на 1,5 мм призведе до виходу підшипника з ладу протягом трьох-п’яти місяців, тоді як зміщення на 0,025 мм може дозволити тому самому підшипнику працювати понад 90 місяців.

 

Рішення:Робота відцентрового насоса поблизу його BEP (точка граничного ефекту) є основним принципом контролю радіальних сил. Ширина робочого колеса є одним із основних факторів, що впливають на радіальні сили: чим ширше робоче колесо, тим більша радіальна сила. Вибір розумної геометрії спиралі та достатнього діаметра валу може зменшити радіальні сили завдяки конструкції. Для насосів, які вже працюють, уникайте тривалої роботи нижче мінімальної витрати.

 

• кавітація

Коли місцевий абсолютний тиск біля вхідного отвору насоса або лопаті робочого колеса падає нижче тиску насиченої пари рідини при цій температурі, рідина випаровується, утворюючи численні крихітні бульбашки пари. Ці бульбашки, перенесені потоком рідини в зону високого-тиску, швидко згортаються або «вибухають», створюючи високо{2}}ударні хвилі (600~25 000 Гц) із локальним тиском до 49 МПа. Цей вплив багаторазово впливає на поверхню металу, викликаючи механічну ерозію; водночас хімічна корозія, спричинена теплом випаровування, ще більше посилює пошкодження. Кавітація також перешкоджає обміну енергією в робочому колесі, що призводить до повного зниження кривих Q-H, Q-P і Q-η, а в важких випадках навіть до переривання потоку рідини та виведення насоса з ладу.

 

Існують різні види кавітації. Найпоширенішим є пароподібна кавітація (тип дефіциту NPSHa), коли швидкість рідини збільшується, а тиск зменшується, коли вона проходить через вхідний отвір робочого колеса, спричиняючи кипіння та випаровування рідини. Турбулентна кавітація спричинена завихреннями та різницею тиску, що створюється такими компонентами, як вигини та клапани в трубопроводі. Синдром лопатевої кавітації виникає, коли зазор між робочим колесом і корпусом насоса занадто малий, що призводить до різкого збільшення швидкості потоку та падіння тиску. Внутрішня рециркуляційна кавітація виникає, коли випускний клапан насоса закритий або швидкість потоку занадто низька, що призводить до циркуляції рідини навколо робочого колеса, утворюючи тепло та бульбашки. Крім того, повітря, що надходить у насос через несправні клапани або ослаблені з’єднання, також може спричинити кавітацію.

 

Найбільш уразливі зони для кавітації у відцентрових насосах включають:передня кришка, де найбільша кривизна крильчатки, сторона низького-тиску біля вхідного краю лопаті, спіральна язичка нагнітальної камери та сторона низького-тиску вхідного краю направляючої лопатки.

 

рішення:Переконайтеся, що чистий додатний висота всмоктування системи (NPSHA) завжди більший за необхідний чистий додатний висота всмоктування (NPSHR), зазвичай рекомендується мати запас принаймні 0,5–1,0 м. До підвищення стійкості до кавітації можна підійти з двох аспектів: по-перше, удосконалити саму конструкцію насоса – збільшити площу потоку, збільшити радіус кривизни вхідної секції крильчатки крильчатки та використовувати передній-індуктор або подвійне{4}}всмоктувальне робоче колесо; по-друге, покращення умов системи – підвищення рівня тиску рідини у резервуарі вище за течією, зменшення висоти установки насоса, перехід від верхнього всмоктування до зворотного потоку та зменшення втрат у трубопроводі тощо.

 

• вібрація

Джерела вібрації можна розділити на такі основні типи:

1. Проблеми,-пов’язані з двигуном:Ексцентриситет або вигин ротора призводить до надмірної статичної та динамічної рівноваги; зламані решітки білячої клітини викликають дисбаланс магнітного поля; незбалансований опір обмотки статора створює нерівномірну електромагнітну силу.
2. Фонд і підтримка:Нещільні основи або гнучкі основи зменшують жорсткість обмежень; ослаблені анкерні болти посилюють вібрацію.
3. Муфти:Нерівномірна відстань між болтами, ексцентричні подовжувальні секції, поганий статичний і динамічний баланс, неправильні зазори підгонки тощо.
4. Крильчатка: нестандартна якість лиття або обробки призводить до ексцентриситету; корозія проточного каналу викликає ексцентриситет; зношені компенсаційні кільця збільшують тертя.
5. Система валу:Недостатня жорсткість валу, надмірний прогин; надмірний зазор балансувального диска або неправильне осьове переміщення.
6. Умови експлуатації:Відхилення від розрахункових умов призводить до збільшення радіальної сили; неправильний вибір або невідповідність паралельних з’єднань.
7. Підшипники та змащення:Недостатня жорсткість підшипника, надмірний зазор, погане змащення.

 

Крім того, сама рідина також є джерелом вібрації – потік води, що впливає на направляючу лопатку та передню кромку робочого колеса, пульсації тиску всередині корпусу насоса та кавітація можуть викликати вібрацію. Надмірна вібрація може призвести до тертя ротора-статора або навіть до заклинювання, руйнування ущільнення валу та витоку, а також може вплинути на фітинги труб, клапани та фундамент, спричиняючи вторинну небезпеку для операторів і навколишнього середовища.

 

рішення:Вібраційна діагностика вимагає системного підходу. За допомогою аналізу часових коливань, спектру та фази в поєднанні з безперервним моніторингом можна точно визначити джерело вібрації. Рекомендується встановити базову лінію здоров’я вібрації для обладнання, посилаючись на стандарти оцінки вібрації, такі як ISO 10816-7. Під час звичайних перевірок ненормальне підвищення значень вібрації часто є першим попереджувальним сигналом.

 

• Забруднення підшипників і мастила

Підшипники є одними з найбільш вразливих компонентів відцентрових насосів, і понад 85% несправностей підшипників викликані забрудненнями – будь то бруд, сторонні предмети або вода. Руйнівна сила забруднень вражає: лише 250 частин на мільйон (ppm) води можуть скоротити термін служби підшипників у чотири рази.

 

Забруднення мастила відбувається з різних джерел: воно може бути спричинене просочуванням технологічного середовища після пошкодження ущільнення, домішками, що потрапили під час технічного обслуговування, або погіршенням самої мастила під час тривалої-експлуатації. Звичайні види виходу з ладу підшипників включають адгезійний знос, втомний знос і абразивний знос, які часто викликані неправильним зазором контактної поверхні, низькою шорсткістю поверхні або погіршенням фізико-хімічних властивостей мастила.

 

Окрім забруднення, підшипники зазнають додаткових навантажень від радіальних сил, осьових сил, зміщення та натягу трубопроводів. Ці сили змушують підшипники працювати значно більше, ніж їх проектне навантаження, прискорюючи процес виходу з ладу.

 

Рішення:Підтримання чистоти мастила є найефективнішим заходом для продовження терміну служби підшипників. Встановіть регулярну систему тестування масла (рекомендовано принаймні раз на квартал) і суворо контролюйте вологість (менше або дорівнює 100 ppm) і вміст твердих частинок (не нижче стандарту чистоти NAS Class 9). У той же час переконайтеся, що насос працює поблизу BEP, щоб зменшити радіальну силу, забезпечити точне центрування насоса та приводу та усунути деформацію трубопроводу.

 

• Робота з мінімальною витратою

Багато операторів вважають, що «поки насос працює, все гаразд», не знаючи, що робота на низькій швидкості потоку є найпідступнішою формою хронічного пошкодження відцентрових насосів.

 

Кожен відцентровий насос має певний робочий діапазон. Перевищення цього діапазону може викликати низку проблем: значне збільшення вібрації та шуму, зниження продуктивності, скорочення терміну служби компонентів і навіть механічні пошкодження. Стандарт API 610 визначає дві мінімальні швидкості потоку: мінімальна безперервна гранична швидкість потоку (найнижча швидкість потоку, при якій насос може працювати без пошкодження підвищенням температури) і мінімальна безперервна постійна швидкість потоку (найнижча швидкість потоку, яка не перевищує встановлені межі вібрації).

 

Робота нижче мінімальної витрати збільшує радіальне навантаження та вібрацію насоса, посилює рециркуляцію рідини та скорочує термін служби підшипників і механічних ущільнень. Усередині насоса може відбутися відділення рідини, що ще більше посилить вібрацію та шум. У високо-потужних відцентрових насосах, які працюють із закритим випускним клапаном, рідина всередині насоса стає дедалі гарячішою, потенційно спалюючи підшипники. При низьких витратах на вал насоса також діють додаткові радіальні сили.

 

На мінімальну безперервну стабільну швидкість потоку впливають такі фактори, як питома швидкість всмоктування та щільність енергії. Як правило, мінімальна безперервна стабільна швидкість потоку зростає зі збільшенням питомої швидкості всмоктування. Робота з низьким -потоком також може викликати внутрішню кавітацію рециркуляції, що ще більше прискорює пошкодження.

 

Рішення:Встановлення лінії мінімальної витрати є найнадійнішим захисним заходом. Якщо робоча швидкість потоку нижча за мінімальну швидкість потоку насоса, слід встановити лінію низької -подачі (тобто мінімальну лінію рециркуляції або байпас). Крім того, можна використовувати частотно-регулюючі приводи, автоматичні рециркуляційні клапани та моніторинг потужності або вібрації. Для насосів, що відповідають стандартам API 610, робота повинна суворо відповідати вказаній мінімальній безперервній стабільній швидкості потоку.

 

• Витік ущільнення валу

Механічні ущільнення є найпоширенішим способом ущільнення вала для відцентрових насосів, але вони також часто виходять з ладу. Точки витоку в механічних ущільненнях зосереджені в основному на динамічних і статичних торцях кільця та додатковому ущільненні.

 

Причини поломки ущільнення різноманітні: нестандартна площинність або шорсткість торців ущільнення; тверді частинки між торцями; негативний тиск в ущільнювальній порожнині під час-пуску та зупинки насоса, що призводить до сухого тертя торців; тривале підвищення тиску в насосі, що пошкоджує ущільнення; недостатній потік насоса, що викликає циркуляцію, нагрів і випаровування середовища; старіння або пошкодження допоміжного ущільнення. Крім того, відхилення валу, спричинене радіальною силою, ускладнює контакт торцевих поверхонь ущільнення, що є основною причиною поломки механічного ущільнення.

 

рішення:Технічне обслуговування механічних ущільнень вимагає ретельного керування. Звичайні перевірки можуть використовувати інфрачервоний термометр для моніторингу температури ущільнювальної порожнини (нормальна Менше або дорівнює температурі навколишнього середовища +25 градусів), а також щотижневе сканування межі фланця ультразвуковим детектором витоку. Під час складання слідкуйте за тим, щоб осьове переміщення валу було менше 0,1 мм. Для спеціальних середовищ слід вибирати стійкі до високих{5}}температур і корозії-ущільнювальні матеріали, такі як фрикційні пари твердих сплавів і кільця тертя з перфторэластомерів.

 

• Дисбаланс осьових сил

Коли працює одно-ступінчастий одно-всмоктувальний відцентровий насос, ротор відчуває осьовий поштовх, спрямований до входу всмоктування. Для багато-ступінчастих відцентрових насосів проблема осьової сили є серйознішою – більшість поломок виникають через неправильне налаштування механізму балансування або несправності системи балансування.

 

Дисбаланс осьової сили збільшує робоче навантаження на опорний підшипник і змушує ротор рухатися до входу всмоктування, що призводить до вібрації. У важких випадках це може призвести до тертя кілець робочого колеса або навіть до пошкодження корпусу насоса. Звичайні конструкції або пристрої балансування осьової сили включають балансувальні отвори, балансувальні диски або балансувальні барабани (з балансувальними зворотними трубами). Ексцентрична установка балансувального диска може спричинити вібрацію ротора, потенційно пошкодивши підшипники та вал насоса.

 

рішення:Регулярно перевіряйте балансувальні отвори та зворотні труби на наявність засмічень. Для балансувальних дискових пристроїв суворо контролюйте ексцентриситет установки, як правило, вимагаючи, щоб він не перевищував 0,05 мм. Перед запуском багатоступінчастого-насоса необхідно ретельно заправити та видалити повітря, щоб уникнути надмірної миттєвої осьової тяги. Необхідно запровадити онлайн-моніторинг підвищення температури упорного підшипника, оскільки раптові зміни температури в підшипнику часто є передвісником дисбалансу осьової сили.

 

• Зламаний вал

Злам валу насоса є однією з найсерйозніших поломок відцентрових насосів, яка часто спричинена обертальним натягом і втомою від вигину. Майже в усіх обертових машинах руйнуванню валу передує інтенсивна вібрація.

 

До поширених причин руйнування вала належать: неправильна конструкція вала насоса, зміщення центру вала блоку, неправильний вибір підшипника, неправильне встановлення вихідної труби; концентрація напруги на розвантажувальній канавці кінця вала; і надмірний проміжок головного вала, що призводить до збільшення напруги на вигин. Втомні тріщини виникають у найслабшій точці, поступово поширюються під дією повторюваних змінних навантажень і в кінцевому підсумку раптово ламаються в певний момент. Оскільки вал насоса часто не виявляє аномалій, коли зупиняється, цей процес накопичення втоми є надзвичайно підступним.

 

рішення:Уникайте концентрації напруги в конструкції; відповідним чином встановити радіус рельєфної канавки (рекомендовано не менше 5% діаметра валу). Посилити вібраційний моніторинг під час роботи; ненормальне збільшення значень вібрації часто є передвісником перелому валу. Регулярно перевіряйте співвісність і биття валу; під час капітального ремонту рекомендується проводити магнітно-порошкове або ультразвукове тестування системи валу. Для агрегатів, які зазнали поломки вала, важливий комплексний аналіз причини несправності; просто замінити вал і повернути його в роботу не дозволяється.

 

Профілактика краща за ремонт, а моніторинг кращий за припущення. Створення систематичної системи моніторингу вібрації, моніторингу температури, аналізу мастильних матеріалів і реєстрації робочих параметрів є основним способом подовження терміну служби відцентрових насосів і забезпечення безперервного виробництва.