Vibration, dynamics and noise

formerly BETA Machinery Analysis and SVT Engineering Consultants

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液体泵系统(包括液体管道)

泵和与之相通的管道系统可能经受振动整体风险,包括稳态运行振动和瞬态振动(水锤现象)。为使系统适应这类振动,需要多加关注,来估计、预见以及控制您系统独特的振动特点。

比如,对往复式泵而言,需要考虑吸气和排气管道的脉动,需要特殊设计保障安装的安全性。

虽然离心式泵系统通常比较可靠,但其也会经受共振和振动问题。

对于经受波动运行状态的系统,会有更高的整体性风险,会导致瞬态相关的振动、损坏以及由此引发的液体泄露。

针对如何处理所有类型的泵系统振动,此处汇总了主要设计和故障排除的注意事项。

1 所有泵系统的标准设计需求
1.1 水锤现象分析(瞬态压力喘振)

液体管道系统的瞬态动量改变,会产生大量突发的压力喘振,进而导致水锤现象,或瞬态喘振,引起管道破裂、部件损坏,液体泄漏。

管道的水锤现象会引起瞬态事件,比如泵的启动、停止、紧急停机(ESD)、排放阀启用、阀门摆动,以及检查阀关闭。水锤分析,即是对此类瞬态事件对管道影响进行评估。

对大多数大型管道系统来说,精确的动态模拟是一个需求。北塔全面考虑系统的运行工况范围,并使用已经过实践的瞬态模拟解算器,为每一种瞬态情况都计算出相应的系统瞬态响应。这样就确保提供精确的建议,以防止水锤现象的发生。

1.2 小口径连接(SBC)评估

通常,最容易忽略的、影响泵设施的整体性/可靠性风险的是小口径管道振动和故障。振动导致的损坏会引起部件故障和液体泄漏。小口径附件,通常指用于仪器仪表、传输管道、通风管、排水管以及旁路等,标准管道直径小于2英寸的分支连接。

这些部件在设计阶段几乎不会被考虑成振动因素;而结果往往是,这里成为了您最大的设备故障风险。在我们现场故障排除人员处理过的全球故障中,小口径管道的振动问题和故障占比超过了60%。

您设备的每个小口径连接都应当进行评估测试,以避免振动故障风险。

2 液体管线系统

液体管线系统通常处理不同的液体(密度、粘度、体积模量)、压力以及流量。例如,一些站点具有串联泵机组,系统根据运行需求,切换0、1、2或3个泵。

启动、停止以及液体的改变,都会产生很多瞬态运行工况,会激励小口径连接。

根据在各泵站的上百个现场测试案例,北塔得出瞬态振动对整体性威胁最大的结论。对于这些系统,需要全面的现场评估(基线测试项目),以辨别高风险区域并降低风险。

3 往复式泵

往复式泵(包括柱塞泵)会由于脉动和机械力而产生高振动和管道故障。在泵系统中,越来越多使用变速驱动(VSD或VFD)会更易导致机械和声学共振,并需要更复杂的振动分析。

3.1 脉动和机械分析

API674、675和688定义了所需的脉动(声学)和机械分析。该分析将建议合理的脉动控制解决方案、管道布局以及脉动支架设计。

3.2 口径连接

见上,章节1.2。

4 基础动态力

不同类型的泵基础,如板块基础、钢结构或混凝土基础,安装或改造都需要不同的设计考量。比如说,在钢模块或平台上安装的泵,需要进行基础设计和动力分析。而针对基于混凝土基础或基座的大型泵(比如泥浆泵),则需要进行结构振动和动态设计分析——需要对基座,包括其周围的土壤状况进行模拟分析。

5 可选的设计需求
5.1 簧片临界频率(RCF)分析

立式涡轮泵具有临界频率,在启动、停机以及常规运行时可能共振。这些临界频率也就是RCF,也称作悬臂模式的机械固有频率。判断RCF是否处于泵的运行速度范围内是很重要的。若处于,则会引起高幅振动,导致地表和地下部件的故障。

5.2 扭振分析(TVA)

扭振通常发生于泵系统的启动和稳态运行中。对于新系统来说,瞬态事件是非常重要的问题。扭振分析(TVA)可以降低瞬态和稳态扭振风险,通过传动系建模、动力扭转应力计算,确保每个传动单元可以承受这些压力。

5.3 横向振动分析

泵传动系的横向振动可视为当轴在旋转时,轴元件的实际弯曲。通常,泵制造商会考虑泵轴的横向振动,但不会考虑联轴器、驱动轴,和任何减速元件如变速箱。横向振动问题会引起过早的轴承故障,引起结构共振,并导致高幅振动。为立式泵考虑横向振动是非常重要的,因为它们自身特性很容易造成在横向机械固有频率(MNF)的共振。

北塔机械分析是全球的高级振动分析服务专家,涉及设计、测试和故障排除。我们累积了大量的现场经验、实践设计方案以及响应式服务,是行业内的全球领军企业。

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