Dijagnostika i liječenje kvara cjevovoda pumpe
Hidrokreking od 800,000 t/a određene tvrtke je uređaj za duboku preradu rafinerije nafte domaće proizvodnje. Uređaj ima dvije velike visokotlačne dovodne pumpe (od kojih je jedna rezervna) za podizanje sirovog ulja (voštanog ulja) od ulaznog tlaka od 0,15 MPa do izlaznog tlaka od oko 10 MPa, i ulazi u reakcijski sustav hidrogenacije za reakciju . Među dvije visokotlačne višestupanjske pumpe, jedna je A pumpa, 7-fazni rotor, projektirani protok 126,8 m3/min, visina 2254 m, brzina 5000 o/min; druga je B pumpa, 5-fazni rotor, promjer rotora 293 mm, broj lopatica rotora Zl=6, broj lopatica vodeće lopatice Z2=9, projektirana brzina protoka 126,8 m3/h, visina 2256 m, brzina 5814r/min. Dvije crpke su u osnovi raspoređene simetrično, a izlazni cjevovodi prolaze svaki kroz mjerač protoka otvora, povratni ventil, ručni ventil i električni regulacijski ventil, a zatim se spajaju u prostoru, a zatim ulaze u reakcijski sustav kroz vrlo dugačak glavni vod i grupa ventila. Izgled cjevovoda prikazan je na slici 1. Ukupna duljina cjevovoda od izlaza pumpe do reaktora je 140m. Nakon ugradnje B pumpe, sustav cjevovoda i ventila doživio je velike vibracije od prvog testa opterećenja. Budući da je voštano ulje koje pumpa transportira zapaljivi materijal, nakon što sustav cjevovoda vibrira i napukne, posljedice će biti vrlo ozbiljne. Stoga je vrlo važno riješiti problem vibracija cjevovodnog sustava kada pumpa B radi kako bi se osigurala sigurna proizvodnja uređaja.
Kako bi se dijagnosticirao problem vibracija cijevnih sustava u radu pumpe B, dvije su pumpe ispitane i uspoređene. Kada je crpka A radila, vibracije tijela crpke i cjevovoda bile su vrlo male, vrijednost indikacije manometra na izlazu crpke bila je 18,8 MPa, njihanje kazaljke manometra nije bilo vidljivo, a kazaljka mjerača protoka imala je samo neznatan zamahnuti. Nakon prebacivanja na crpku B, ispusni cjevovod pokazao je jake vibracije bez obzira na stanje niskog protoka ili rad s punim opterećenjem. Vibracijski pomak na električnom ventilu bio je 0.8 mm, vibracijski pomak na repu cjevovoda dosegao je 1 mm, a vrijednost brzine vibracija bila je do 10.3 mm/s. Učinak vibracija bio je isprekidan. Promatrajte tlak i protok, izlazni manometar pokazivao je 18,3MPa, amplituda njihanja kazaljke bila je 0.5-1MPa, a amplituda njihanja kazaljke manometra usisnog cjevovoda bila je 0,4Mpa; mjerač protoka pokazivao je 100t/h, a amplituda njihanja kazaljke dosegla je 6-10t/h. Tlak reaktorskog sustava smanjen je za 1MPa, a uočene su i vibracije cijevnih sustava. Izlazni tlak pumpe i pulsiranje protoka bili su isti kao i normalni radni uvjeti, a vibracije cijevnih sustava nisu se poboljšale.
1. Električni ventil; 2. Ručni ventil; 3. Nepovratni ventil; 4. Otvorni mjerač protoka; 5. cjevovod malog protoka; 6. Crpka A; 7. Crpka B; 8. reaktorski sustav
Kako bi se istražio uzrok vibracija u sustavu cjevovoda, provedena su ispitivanja signala vibracija na jednosmjernom ventilu, električnom regulacijskom ventilu, repu cjevovoda i tijelu pumpe s velikim vibracijama. Osim toga, zbog velikog zamaha kazaljke manometra i mjerača protoka te neravnomjernih i nestabilnih znakova zvuka tekućine u cjevovodu prisluškivanog štapom za slušanje, osjetilo se da bi moglo doći do velikog pulsiranja tlaka u tekućini u pumpe i cjevovoda, pa je senzor tlaka korišten za izravno mjerenje pulsiranja tlaka u cjevovodu. Signal je snimljen magnetofonom i uređajem za prikupljanje podataka, a potom je analiza valnog oblika i frekvencijska analiza izvršena na frekvencijskom analizatoru. Spektar vibracija ležaja na strani motora tijela pumpe prikazan je na slici 2, gdje su komponente frekvencije s većom amplitudom A frekvencija snage pumpe (97Hz) i frekvencija brzine motora (50Hz, 100Hz) .
Slika 3 prikazuje spektar vibracija ležaja na izlazu iz pumpe. Komponente s višim amplitudama na slici su prolazne frekvencije fz1 (582Hz) i 2fz1 (1160Hz) lopatica pumpe. Tijelo pumpe ne vibrira puno zbog svoje dobre krutosti oslonca, a amplituda prolazne frekvencije kućišta ležaja je 2,56 mm/s. Jednosmjerni ventil i električni ventil snažno vibriraju, a valni oblik i spektar njihovih vibracijskih signala prikazani su na slici 4. Glavna frekvencija vibracija od 9 Hz na slici je frekvencija samoosciliranja jednosmjernog ventila i sustav električne grupe ventila. Uslijed povremenog udara tekućine, amplituda valnog oblika vibracije A ponekad je visoka, a ponekad niska, što je slično obliku "udaranja".
Rep cjevovoda je dio s najvećim vibracijama. Spojen je na glavni cjevovod i ne može se poduprijeti prostorom. Stoga je pod djelovanjem sile pobude fluida vibracija vrlo velika. Slika 5 prikazuje valni oblik vibracija i spektar repa cjevovoda. Glavna frekvencija vibracije na slici je 7Hz. Kada pulsiranje tlaka tekućine povremeno utječe na rep cijevi, amplituda frekvencijske komponente oko 7Hz na spektru repa cijevi iznenada se povećava. Iz valnog oblika vremenske domene može se vidjeti da visokofrekventni val fluktuira gore-dolje, a frekvencija periodičke fluktuacije je 7Hz. Nakon računalne simulacije i proračuna korištenjem metode konačnih elemenata, komponenta od 7Hz je prirodna frekvencija određenog reda cijevnih sustava, a superponirana visokofrekventna komponenta može biti prirodna frekvencija ventila na kraju cijevi.
Kako bi se utvrdilo je li vibracija cijevnih sustava uzrokovana pulsiranjem tlaka fluida, koristi se senzor tlaka za izravno ispitivanje i analizu pulsiranja tlaka fluida u cjevovodu. Veličina pulsiranja tlaka tekućine može se izraziti neravnomjernošću tlaka δ:
Slika 6 je signal vremenske domene pulsiranja tlaka. Visokofrekventni val na slici fluktuira gore-dolje, a frekvencija fluktuacije je 7Hz, što je prirodna frekvencija cijevnih sustava. Maksimalna vrijednost amplitude fluktuacije △P=Pmax-Pmin=147mV~176mV, DC komponenta prosječnog tlaka P0=5.5V i nejednakost tlaka δ{{9 }}.027~0.032. Promatrajte njihanje kazaljke manometra na izlazu pumpe. Pri prosječnom tlaku od 18,3 MPa, zamah pokazivača je 0,5 ~ 1 MPa, a prikazana neravnomjernost pulsiranja tlaka jednaka je rezultatu dobivenom na slici 6.
Gore izmjerena vrijednost nejednakosti pulsiranja tlaka očito je prevelika. Iako u Kini ne postoji standard za centrifugalne pumpe, nejednakost pulsiranja tlaka u ispusnoj cijevi općenito je ograničena na δ{{0}}.02~0.04 s obzirom na klipne kompresore. Crpka trenutno transportira nestlačivu tekućinu, a njena vrijednost je blizu maksimalno dopuštene vrijednosti koju propisuje cjevovodni sustav kompresora, što je očito nedopušteno. Upravo takva visoka nejednakost tlaka δ uzrokuje velike vibracije u cjevovodu. Kada je neravnomjernost tlaka δ=0.027 i prosječni tlak P0=18.3MPa, amplituda pulsacije tlaka (maksimalna amplituda koja odstupa od prosječnog tlaka) je:
Kada ova amplituda pulsiranja naiđe na koljeno pod pravim kutom, udarna sila protoka tekućine na stijenku cijevi na zavoju prikazana je na slici 7. Statička rezultantna sila fluida na koljeno je:
Unutarnji promjer cijevi je 132 mm. Kada tekućina pulsira, amplituda pulsirajućeg pritiska na lakat je:
Na svakom zavoju cijevi djeluje sila od 4777 N, što će neizbježno uzrokovati velike vibracije cijevi. Osim toga, kada tekućina naiđe na kontrakciju poprečnog presjeka kao što je ventil ili reduktor, također će se generirati velika udarna sila tekućine. Pulsiranje tlaka tekućine uzrokovat će pulsacijske promjene u brzini protoka u cijevi. Slika 8 je grafikon promjene pulsiranja dobiven slanjem signala pulsiranja tlaka i izlaznog signala mjerača protoka u računalo i uzorkovanjem u isto vrijeme. Na slici, Q je ukupni izlazni protok iz izlaza crpke, Q1 je dio protoka koji ulazi u reakcijski sustav, a drugi dio manjeg protoka vraća se u prednju opremu crpke. Kao što se može vidjeti sa slike, zakon promjene pulsiranja tlaka i protoka je konzistentan. Kada je tlačni val na vrhuncu, tekućina u cijevi se ubrzava, uzrokujući trenutno povećanje protoka; kada val tlaka trenutno padne, tekućina u cijevi se usporava i protok trenutno opada. Na slici je relativna udaljenost između točke mjerenja Q protoka i točke mjerenja tlaka relativno blizu, a dosljednost promjena između to dvoje je dobra. Mjerna točka Q1 nalazi se na kraju sustava cijevi. S jedne strane je daleko od mjesta mjerenja tlaka, as druge strane na njega utječe i protok cjevovoda malog protoka. Stoga je dosljednost promjena pulsiranja prednjeg i stražnjeg mjerača protoka loša. Gore spomenute pulsirajuće promjene tlaka i protoka utjecat će na cjevovod i izazvati velike vibracije cjevovodnog sustava.
Kako bi se istražio razlog zašto crpka generira pulsiranje tlaka, prikupljeni signal pulsiranja tlaka podvrgava se frekvencijskoj analizi, a njegov spektar prikazan je na slici 9. Tri glavne frekvencijske komponente često se pojavljuju na slici: (1) {{2 }} Hz frekvencijska komponenta često je glavna komponenta s najvećom vršnom vrijednošću. Kao što je gore spomenuto, ovo je prirodna frekvencija sustava cijevi. (2) Frekvencijska komponenta od 291 Hz je 3 puta veća od frekvencije brzine pumpe. Broj lopatica rotora pumpe je Z1=6, a broj lopatica vodećih lopatica je Z2=9. Najveći zajednički djelitelj dviju lopatica proizvodi ovu frekvenciju pulsiranja. (3) Frekvencijska komponenta od 680 Hz je 7 puta veća od frekvencije brzine pumpe. Čini se da je ova komponenta frekvencije povezana s kombiniranim učinkom frekvencije snage pumpe i prirodne frekvencije cijevnih sustava.
Na temelju usporedbe uvjeta probnog rada dviju crpki i rezultata ispitivanja i analize vibracija cjevovoda i pulsiranja tlaka, iznose se sljedeća dijagnostička mišljenja:
(1) Izvor pobude vibracija cjevovoda dolazi od crpke B, a ne od projektnog problema cjevovoda, jer kada crpka A, koja je u osnovi postavljena simetrično, radi, ni usisna cijev ni ispusna cijev ne vibriraju. Kada crpka B radi, ne samo da tlačni cjevovod snažno vibrira, već i usisni cjevovod paralelno spojenih crpki A i B ima veliku amplitudu. Očito, to nije prijenos mehaničkih vibracija, već rezultat prijenosa pulsiranja tlaka tekućine.
(2) Pulsiranje tlaka tekućine izravni je uzrok vibracija cjevovoda. Zbog pulsiranja tlaka, udar tekućine nastaje pri svakom zavoju i promjeni presjeka vrlo dugog cjevovoda, a udarna sila pobuđuje vlastitu frekvenciju cjevovoda i ventila. Na kraju cjevovoda uglavnom se pobuđuju niskofrekventne prirodne frekvencije od oko 1Hz i 5~10Hz, a na električnom ventilu i nepovratnom ventilu uglavnom se pobuđuje prirodna frekvencija od 9Hz.
(3) Razlog zašto dolazi do pulsiranja tlaka tekućine kada crpka B radi povezan je s dizajnom crpke. Prema informacijama, kako bi se smanjila nestabilna sila koja se stvara na lopaticama za vođenje lopatica pumpe s lopaticama, broj lopatica rotora Z1 i broj lopatica za vođenje lopatica Z2 moraju biti jednaki jedan drugome; u isto vrijeme, kako bi se osiguralo da je amplituda pulsiranja tlaka na frekvenciji lopatice minimizirana, također mora biti ispunjen uvjet da su Z1 i 2Z2 jednosmjerni. Sada Z1 i Z2 pumpe nisu prosti brojevi jedan prema drugom, a Z1 i 2Z2 nisu prosti brojevi. Najveći zajednički djelitelj Z1 i Z2 je 3, pa se u signalu pulsiranja tlaka generira frekvencijska komponenta od 3X97=291Hz. Zajednički djelitelj lopatica i vodećih lopatica je 3, što znači da postoje 3 lopatice koje odgovaraju 3 lopatice za vođenje u isto vrijeme, čineći brzinu protoka i tlak na svakoj izlaznoj točki prolaza lopatica rotora vrlo neujednačenim. Udar tekućine na lopaticu za navođenje će generirati jaku izmjeničnu silu. Osim toga, neravnomjerna brzina protoka na izlazu rotora stvara ozbiljniji granični sloj i odvajajući vrtlog na lopatici za navođenje, što rezultira pulsiranjem tlaka nakon što tekućina istječe iz pumpe. Drugi mogući faktor koji može uzrokovati vibracije cjevovoda uzrokovane pumpom B je nizak izlazni tlak. Krivulja rada crpke je ravna, a pulsiranje tlaka može lako uzrokovati fluktuacije protoka. Fluktuacije protoka pojačavaju udarnu silu na stijenku cijevi, stvarajući time veću vibraciju sustava cijevi.
Iz zaključka dijagnoze kvara vibracija sustava cijevi, potvrđuje se da izvor vibracija dolazi iz same pumpe B, a ne sustava cijevi. Stoga se preporuča modificirati dizajn crpke, odnosno modificirati komponente rotora i statora. Posebne mjere općenito uključuju sljedeća dva aspekta:
(1) Promijenite broj lopatica rotora, promijenite Z1 sa 6 na 7 i obratite se na parametre crpke A kako biste pažljivo projektirali svaki dio kanala protoka kako biste u osnovi eliminirali pulsiranje tlaka tekućine.
(2) Povećajte izlazni tlak pumpe s izvornih 18,3 MPa na 21,3 MPa, čime se značajno povećava pogonska sila tekućine u cijevi i usporavaju fluktuacije brzine protoka.
Nakon modifikacije puštena je u rad pumpa B. Izvorne jake vibracije cjevovoda potpuno su nestale, a vrijednost pomaka vibracija na električnom ventilu pala je s 800 μm na 61,5 μm; vrijednost vibracijskog pomaka repa cjevovoda s najvećom vibracijom pala je s 1 mm na 129 μm; vrijednost brzine vibracija kućišta ležaja također je pala s 2,56 mm/s na 1,48 mm/s. Razina mikrovibracija cjevovoda gotovo je ista kao kod pumpe A kada radi.