펌프 파이프라인 결함 진단 및 치료

한 업체의 800000t/a 수소화분해설비는 국내에서 생산되는 정유심층가공장치이다. 이 장치에는 2개의 대형 고압 공급 펌프(그중 1개는 예비품)가 있어 원료유(왁스유)를 입구 압력 0.15MPa에서 출구 압력 약 10MPa까지 올리고 수소화 반응 시스템에 들어가 반응합니다. . 2개의 고압 다단 펌프 중 하나는 A 펌프, 7-단 임펠러, 설계 유량 126.8m3/min, 헤드 2254m, 속도 5000r/min입니다. 다른 하나는 B 펌프, 5-단 임펠러, 임펠러 직경 293mm, 임펠러 블레이드 수 Zl=6, 가이드 베인 블레이드 수 Z2=9, 설계 유량 126.8m3/h, 양정 2256m, 속도 5814r/min. 두 개의 펌프는 기본적으로 대칭으로 배열되어 있으며 출구 파이프라인은 각각 오리피스 유량계, 체크 밸브, 수동 밸브, 전기 조절 밸브를 통과한 후 공간에서 합쳐지고 매우 긴 메인 라인을 통해 반응 시스템으로 들어가고 밸브 그룹. 파이프라인 레이아웃은 그림 1에 나와 있습니다. 펌프 출구에서 반응기까지 파이프라인의 전체 길이는 140m입니다. B 펌프를 설치한 후 첫 번째 부하 테스트 이후 파이프라인과 밸브 시스템에 큰 진동이 발생했습니다. 펌프에 의해 운반되는 왁스 오일은 가연성 물질이므로 파이프라인 시스템이 진동하고 균열되면 결과가 매우 심각합니다. 따라서 장치의 안전한 생산을 위해서는 B 펌프 작동 시 파이프라인 시스템의 진동 문제를 해결하는 것이 매우 중요합니다.

 

B 펌프의 작동 시 배관 시스템의 진동 문제를 진단하기 위해 두 펌프를 테스트하고 비교하였다. 펌프 A가 작동 중일 때 펌프 본체와 파이프라인의 진동은 매우 작았고 펌프 출구 압력 게이지의 표시 값은 18.8MPa였으며 게이지 포인터의 스윙은 명확하지 않았으며 유량계 포인터는 약간만 있었습니다. 그네. B펌프로 전환한 후 토출관은 저유량 조건이나 전부하 운전에 상관없이 큰 진동을 보였다. 전기 밸브의 진동 변위는 0.8mm이고 파이프라인 꼬리의 진동 변위는 1mm에 도달했으며 진동 속도 값은 최대 10.3mm/s였습니다. 진동 성능이 간헐적으로 발생했습니다. 압력과 흐름을 관찰하면 출구 압력 게이지는 18.3MPa를 나타냈고 포인터 스윙 진폭은 0.5-1MPa였으며 흡입 파이프라인 압력 게이지 포인터 스윙 진폭은 0.4Mpa였습니다. 유량계에 100t/h가 표시되고 포인터 스윙 진폭이 6-10t/h에 도달했습니다. 반응기 시스템의 압력을 1MPa 감소시키고, 배관 시스템의 진동을 관찰하였다. 펌프 출구압력과 유량맥동은 정상운전조건과 동일하였고, 배관시스템의 진동도 개선되지 않았다.

 

 

1. 전기 밸브; 2. 수동 밸브; 3. 체크 밸브; 4. 오리피스 유량계; 5. 작은 흐름 파이프라인; 6. 펌프 A; 7. 펌프 B; 8. 원자로 시스템

 

파이프라인 시스템의 진동 원인을 조사하기 위해 진동이 큰 일방향 밸브, 전기 조절 밸브, 파이프라인 테일 및 펌프 본체에 대해 진동 신호 테스트를 수행했습니다. 또한 압력계와 유량계의 포인터가 크게 흔들리는 것과 청취봉으로 도청하는 파이프라인의 유체 소리가 고르지 않고 불안정한 징후를 통해 유체에 큰 압력 맥동이 있을 수 있음을 느꼈습니다. 펌프와 파이프라인에 압력 센서를 사용하여 파이프라인의 압력 맥동을 직접 측정했습니다. 신호는 테이프 레코더와 데이터 수집 장치를 사용하여 기록한 후 주파수 분석기에서 파형 분석 및 주파수 분석을 수행했습니다. 펌프 본체의 모터 측 베어링의 진동 스펙트럼은 그림 2에 나와 있으며, 진폭 A가 더 높은 주파수 성분은 펌프의 전력 주파수(97Hz)와 모터의 속도 주파수(50Hz, 100Hz)입니다. .

 

 

그림 3은 펌프 출구 베어링의 진동 스펙트럼을 보여줍니다. 그림에서 진폭이 더 높은 구성 요소는 펌프 블레이드의 통과 주파수 fz1(582Hz) 및 2fz1(1160Hz)입니다. 펌프 본체는 지지 강성이 좋아 많이 진동하지 않으며 베어링 하우징의 통과 주파수 진폭은 2.56mm/s입니다. 일방향 밸브와 전자밸브는 크게 진동하며 이들의 진동신호의 파형과 스펙트럼은 그림 4에 나타내었다. 그림에서 9Hz의 주요 진동주파수는 일방향 밸브와 전자밸브의 자기발진 주파수이며, 전기 밸브 그룹 시스템. 유체의 간헐적인 충격으로 인해 진동 파형 진폭 A는 때로는 높고 때로는 낮으며 이는 "두드림"의 형태와 유사합니다.

 

 

파이프라인의 꼬리 부분은 진동이 가장 큰 부분입니다. 주 파이프라인과 연결되어 있어 공간적으로 지탱할 수 없습니다. 따라서 유체 가진력의 작용으로 진동이 매우 커집니다. 그림 5는 파이프라인 꼬리의 진동 파형과 스펙트럼을 보여줍니다. 그림의 주요 진동 주파수는 7Hz입니다. 유체 압력 맥동이 파이프 테일에 간헐적으로 영향을 미칠 때 파이프 테일 스펙트럼의 7Hz 부근의 주파수 성분의 진폭이 갑자기 증가합니다. 고주파파가 상하로 변동하는 것을 시간영역 파형에서 알 수 있으며, 주기적인 변동의 주파수는 7Hz이다. 유한요소법을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 및 계산 후, 7Hz 성분은 파이프 시스템의 특정 차수의 고유진동수이고, 중첩된 고주파 성분은 파이프 테일에 있는 밸브의 고유진동수일 수 있습니다.

 

배관 시스템의 진동이 유체의 압력 맥동에 의해 발생하는지 확인하기 위해 압력 센서를 사용하여 배관 내 유체의 압력 맥동을 직접 테스트하고 분석합니다. 유체 압력 맥동의 크기는 압력 불균일 δ로 표현될 수 있습니다.

 

그림 6은 압력 맥동의 시간 영역 신호입니다. 그림의 고주파파는 상하로 변동하며, 변동의 주파수는 7Hz로 배관시스템의 고유진동수입니다. 변동폭의 최대값 △P=Pmax-Pmin=147mV~176mV, 평균 압력 P0=5.5V의 DC 성분, 압력 불균일 δ{{9 }}.027~0.032. 펌프 출구 압력 게이지 포인터의 스윙을 관찰하십시오. 평균압력 18.3MPa에서 포인터의 흔들림은 0.5~1MPa이며, 표시되는 압력 맥동 불균일은 그림 6에서 얻은 결과와 동일하다.

 

위에서 측정한 압력 맥동 불균일 값은 확실히 너무 큽니다. 중국에서는 원심펌프에 대한 표준이 없지만, 일반적으로 토출관의 압력 맥동 불균일은 왕복식 압축기를 기준으로 δ{{0}}.02~0.04로 제한됩니다. 펌프는 현재 비압축성 액체를 운반하고 있으며 그 값은 분명히 허용되지 않는 압축기 파이프라인 시스템에서 지정한 최대 허용 값에 ​​가깝습니다. 파이프라인에 큰 진동을 일으키는 것은 이러한 높은 압력 불균일 δ입니다. 압력 불균일 δ=0.027 및 평균 압력 P0=18.3MPa일 때 압력 맥동의 진폭(평균 압력에서 벗어나는 최대 진폭)은 다음과 같습니다.

이 맥동 진폭이 직각 엘보우를 만날 때 굴곡부에서 파이프 벽에 액체 흐름의 충격력이 그림 7에 표시됩니다. 엘보우에 대한 유체의 정적 합력은 다음과 같습니다.

파이프의 내경은 132mm입니다. 유체가 맥동할 때 팔꿈치에 가해지는 맥동 압력의 충격 진폭은 다음과 같습니다.

 

각 파이프 벤드에 4777N의 힘이 가해지며 이는 필연적으로 파이프에 큰 진동을 유발합니다. 또한 유체가 밸브나 감속기와 같은 단면적 수축을 겪게 되면 큰 유체 충격력도 발생하게 됩니다. 유체 압력 맥동은 파이프 내 유속의 맥동 변화를 유발합니다. 그림 8은 압력 맥동 신호와 유량계에서 출력되는 신호를 컴퓨터로 전송하고 동시에 샘플링하여 얻은 맥동 변화 그래프이다. 그림에서 Q는 펌프 출구에서 나오는 총 흐름 출력이고, Q1은 반응 시스템으로 들어가는 흐름의 일부이며, 더 작은 흐름의 다른 부분은 펌프의 전단 장비로 돌아갑니다. 그림에서 볼 수 있듯이 압력 맥동과 흐름 맥동 변화의 법칙은 일관됩니다. 압력파가 최고조에 달하면 파이프 내 유체가 가속되어 유량이 순간적으로 증가합니다. 압력파가 순간적으로 떨어지면 파이프 안의 유체가 감속하고 유량도 순간적으로 떨어집니다. 그림에서 Q 흐름 측정 지점과 압력 측정 지점 사이의 상대적 거리가 비교적 가깝고 둘 사이의 변화 일관성이 좋습니다. Q1 측정 지점은 파이프 시스템의 끝에 있습니다. 한편으로는 압력 측정 지점에서 멀리 떨어져 있고 다른 한편으로는 소유량 파이프라인의 흐름에도 영향을 받습니다. 따라서 전면 및 후면 유량계의 맥동 변화의 일관성이 좋지 않습니다. 위에서 언급한 압력과 흐름의 맥동 변화는 파이프라인에 영향을 미치고 배관 시스템에 큰 진동을 유발합니다.

펌프가 압력 맥동을 발생시키는 원인을 탐색하기 위해 수집된 압력 맥동 신호를 주파수 분석하고 그 스펙트럼을 그림 9에 표시합니다. 그림에는 세 가지 주요 주파수 성분이 자주 나타납니다. (1) {{2 }}Hz 주파수 성분은 가장 큰 피크 값을 갖는 주요 성분인 경우가 많습니다. 위에서 언급했듯이 이는 파이프 시스템의 고유 진동수입니다. (2) 291Hz 주파수 성분은 펌프 속도 주파수의 3배입니다. 펌프의 임펠러 블레이드 수는 Z1=6이고, 가이드 베인 블레이드 수는 Z2=9이다. 두 블레이드의 최대 공약수가 이 맥동 주파수를 생성합니다. (3) 680Hz 주파수 성분은 펌프 속도 주파수의 7배입니다. 이 주파수 성분은 펌프 전력 주파수와 파이프 시스템의 고유 주파수의 결합 효과와 관련된 것으로 보입니다.

 

두 펌프의 시운전 조건을 비교하고 파이프라인 진동 및 압력 맥동에 대한 테스트 및 분석 결과를 바탕으로 다음과 같은 진단 의견을 제시합니다.

(1) 배관 진동의 원인은 배관의 설계 문제가 아닌 펌프 B에서 발생하는데, 이는 기본적으로 대칭으로 배치된 펌프 A가 작동할 때 흡입관과 토출관이 모두 진동하지 않기 때문입니다. B 펌프가 작동 중일 때 토출 배관이 심하게 진동할 뿐만 아니라 병렬로 연결된 펌프 A와 B의 흡입 배관도 진폭이 큽니다. 분명히 이것은 기계적 진동의 전달이 아니라 유체 압력 맥동 전달의 결과입니다.

(2) 유체 압력 맥동은 파이프라인 진동의 직접적인 원인입니다. 압력 맥동으로 인해 매우 긴 파이프라인의 각 굽힘 및 단면 변화에서 유체 충격이 발생하고 충격력은 파이프라인과 밸브의 고유 진동수를 자극합니다. 배관 후단에는 1Hz, 5~10Hz 정도의 저주파 고유진동수가 주로 여자되고, 전기밸브 및 체크밸브에서는 9Hz 정도의 고유진동수가 주로 여자됩니다.

(3) B펌프 작동시 유체압력 맥동이 발생하는 이유는 펌프의 설계와 관련이 있다. 정보에 따르면, 베인 펌프의 베인 가이드 베인에 발생하는 불안정한 힘을 줄이기 위해서는 임펠러 블레이드 수 Z1과 가이드 베인 블레이드 수 Z2가 서로 소수여야 합니다. 동시에, 블레이드 주파수에서 압력 맥동 진폭이 최소화되도록 하려면 Z1과 2Z2가 서로 소수라는 조건도 충족되어야 합니다. 이제 펌프의 Z1과 Z2는 서로 소수가 아니며, Z1과 2Z2는 소수가 아닙니다. Z1과 Z2의 최대 공약수는 3이므로 압력 맥동 신호에는 3X{15}}Hz의 주파수 성분이 생성됩니다. 블레이드와 가이드 베인의 공약수는 3입니다. 이는 동시에 3개의 가이드 베인에 해당하는 3개의 블레이드가 있음을 의미하므로 임펠러 블레이드 통로의 각 출구 지점에서 유속과 압력이 매우 고르지 않게 됩니다. 가이드 베인에 대한 유체 충격은 강한 교번력을 생성합니다. 또한, 임펠러 출구에서의 불균일한 유속은 가이드 베인에 더욱 심각한 경계층과 분리 와류를 형성하여 유체가 펌프 밖으로 유출된 후 압력 맥동을 발생시킵니다. 펌프 B로 인해 파이프라인 진동이 발생할 수 있는 또 다른 요인은 낮은 출구 압력입니다. 펌프의 성능 곡선은 평평하며 압력 맥동으로 인해 유량 변동이 쉽게 발생할 수 있습니다. 유량 변동은 파이프 벽에 가해지는 충격력을 강화시켜 파이프 시스템 진동을 더 크게 발생시킵니다.

 

 

배관 시스템의 진동 결함에 대한 진단 결론에 따르면 진동원은 배관 시스템이 아닌 펌프 B 자체에서 발생하는 것으로 확인됩니다. 따라서 펌프 설계를 수정하는 것, 즉 회전자와 고정자 구성 요소를 수정하는 것이 좋습니다. 구체적인 조치에는 일반적으로 다음 두 가지 측면이 포함됩니다.

(1) 임펠러 블레이드 수를 변경하고 Z1을 6에서 7로 변경하고 펌프 A의 매개 변수를 참조하여 유체의 압력 맥동을 근본적으로 제거하기 위해 유로의 각 부분을 신중하게 설계합니다.

(2) 펌프의 출구 압력을 원래 18.3MPa에서 21.3MPa로 높이면 파이프 내 유체의 구동력이 크게 증가하고 유량 변동이 느려집니다.

수정 후 펌프 B가 작동되었습니다. 파이프라인의 원래 강한 진동이 완전히 사라지고 전기 밸브의 진동 변위 값이 800μm에서 61.5μm로 떨어졌습니다. 진동이 가장 큰 파이프라인 꼬리의 진동 변위 값이 1mm에서 129μm로 떨어졌습니다. 베어링 하우징의 진동 속도 값도 2.56mm/s에서 1.48mm/s로 떨어졌습니다. 파이프라인의 미세 진동 수준은 작동 중 펌프 A의 미세 진동 수준과 거의 동일합니다.