如何打造高可靠性離心泵？
摘 要：結合標準規范及工程實踐經驗，從水力設計與結構設計、產品加工制造與裝配、到配套件的選型與設計、再到產品的現場安裝與應用，就“如何打造出高可靠性離心泵”給出較系統、全面的建議，希望能對同行們有所幫助。
關鍵詞：離心泵 可靠性 設計 應用
0 背景
隨著社會的發展、科技的進步，人們對健康、環保、安全等方面的要求越來越高。作為通用機械的離心泵、特別是重要工況離心泵（如核電站、火電廠、石化等關鍵用泵）的各項指標也越來越受到人們的關注，其中最關鍵的一個指標是產品的可靠性。
這可以從近些年來的一些大型項目招標文件中得到具體體現。
在很多關鍵泵的技術規格書中通常都有這樣的要求，如：投標方應提供高質量的設備，這些設備應是成熟可靠、技術先進的產品；……應保證泵具有較高的運行效率和可靠性；投標方提供的設備應為全新的、先進的、成熟的、完整的和安全可靠的……
何謂產品的可靠性？影響產品可靠性的因素有哪些？文章將結合相關標準、規范及工程實踐經驗，從設計、加工制造與裝配、配套件的選型及產品的現場安裝與應用，就如何打造出高可靠性離心泵給出較系統、全面的建議，僅供同行們參考。
1 名詞及術語
1.1 冗余（redundancy）
產品中具有多余一種手段（即人為增加重復部分）執行同一種規定功能，稱為冗余。其目的是用來對原本單一部分進行備份，以提高系統的可靠性。
1.2 最小連續穩定流量（minimum continuous stable flow）
API610標準[1]定義為：在不超過本國際標準規定的振動限值的情況下泵能夠工作的最小流量。
1.3 吸入能量（suction energy，SE）
吸入能量是離心泵葉輪入口處液體動量的量度，其定義是：葉輪入口直徑、泵轉速、吸入比轉速和泵送介質比重之間的乘積。
對于端吸泵，SE值大于等于160 ×106（rpm-gpm-ft）時定義為高SE；對于剖分式泵和徑向入口泵，SE值大于等于120 ×106（rpm-gpm-ft）時定義為高SE。而當SE值大于等于1.5倍高SE值時稱為很高SE。
1.4 狀態監測系統（condition monitoring systems，CMS）
一種測量指定機器過程參數和預測趨勢的系統。提供報警、顯示和分析工具，用于檢測和識別發展中的故障。
2 可靠性及其影響因素
在規定的條件下和規定的時間區間內，完成規定功能的能力，稱為產品的可靠性？煽啃允桥c時間相關的質量指標，泵只能在一定的時間范圍內達到可靠性目標值。
影響離心泵可靠性的因素很多，主要分為四大類：泵本體設計、產品加工制造及裝配、配套件選型及設計和現場安裝應用？梢赃M一步細分為：
2.1 泵本體設計
1） 執行標準
2） 水力設計
3） 結構設計
2.2 產品加工制造及裝配
1） 加工制造
2） 裝配
2.3 泵配套件選型及設計
1） 軸承選型及潤滑
2） 機械密封及系統
2.4 現場安裝應用
1） 現場安裝
2） 現場調試
3） 現場運行
3 執行標準
我國離心泵行業執行的標準較多較雜，有國內標準（如國家標準GB、機械工業部標準JB及企業標準）、國外標準（如歐盟標準EN、德國標準DIN、日本工業標準JIS、美國國家標準協會標準ANSI、美國石油協會標準API等）和國際標準（ISO）。
不同標準對泵的要求各不相同，特別是可靠性方面相差非常大。
總體來說，API610標準要求最高 - 從水力設計到結構設計再到配套零部件的選型與設計，都有嚴格要求，且該標準所涉及的內容基本來自于良好的工程驗證和運行實踐，執行該標準的產品具有高可靠性、長壽命、可操作性強和安裝維護方便等突出優點，因此，目前已被廣泛應用于國內外重要工況、關鍵場合的設備中。
文章將主要結合ANSI/API610第11版標準（以下簡稱“標準”）中的相關條款要求及實際工程經驗，就如何提高離心泵可靠性問題給出較系統、全面的建議，希望對同行們有所幫助。
注：本文中所涉及的條款、表及圖號均指ANSI/API610第11版標準所對應的條款、表及圖號。
4 水力設計
優秀的水力設計除了滿足所需要的性能（流量、揚程、汽蝕）以外，還應滿足高效、高可靠性要求。
4.1 條款6.1.8…在確定裝置汽蝕余量時，買方和賣方應當弄清楚最小連續穩定流量與泵的吸入比轉速之間的關系，一般來說，泵的最小連續穩定流量隨著吸入比轉速的增加而增加……，選擇吸入比轉速的大小及NPSH安全裕量時，應當考慮現有的工業水平和制造廠經驗。
【解讀】關于吸入比轉速對離心泵運行可靠性的影響，國際同行具有非常豐富的工程應用經驗，并給出了吸入比轉速的最大限定值。其中，UOP 5-11-7規范[2]規定的吸入比轉速的限定值在全球得到了廣泛的認可和應用，其規定：泵的吸入比轉速不得高于13000（m3/h,rpm, m）；當泵送介質為水或水含量超過50%的溶液，并且泵的單級葉輪功率超過75 kW時，吸入比轉速不得高于11000 （m3/h, rpm,m）。
【建議1】隨著科技的進步，由于出現了一些其它可改善離心泵吸入性能的設計手段，吸入比轉速的限定值也隨之相應提高。根據國際同行的實際工程使用經驗，對于BB2型泵限定值通？刂圃14400（m3/h, rpm, m）。具體可參見文獻[3]。
【建議2】對于高能泵和高吸入能量泵，需要提供比常用標準規范中推薦的更大的NPSH裕量或裕量比，詳細要求可參見文獻[4]和[5]。
4.2 條款6.1.11 對于所有應用條件，泵最好具有穩定的流量-揚程曲線（即揚程曲線呈連續上升狀直到關死點為止）。
【解讀】應避免流量-揚程曲線出現駝峰而使泵出現一個不穩定的運行區間（即偏小流量運行工況），在該區間內運行時將導致振動和噪聲的顯著增加、可靠性下降。
【建議】對于已發貨的實型泵應避免在不穩定運行區間（即偏小流量運行工況）內運行；對于新開發的產品，在設計過程中應采取適當的措施避免流量-揚程曲線出現駝峰。
4.3 條款6.1.15單級揚程超過200m和單級功率超過225kW的泵需要特殊措施來減小葉輪葉片通過頻率振動和小流量時的低頻振動。對于這些泵，導葉與葉輪葉片外圓周之間的徑向間隙至少為最大葉輪葉尖半徑的3%（對于導葉式泵）和最大葉輪葉片尖半徑的6%（對于蝸殼式泵）。
【解讀】此類泵稱為高能泵。如果出現振動超標，上述間隙因素有可能是引起的主要原因。
在實際工程應用中，其實這種現象普遍存在于所有離心泵，國外將這種現象稱為“葉片流道綜合癥”。當液體流經該小通道時，液體的流速增加引起液體壓力的下降、局部汽化，產生汽泡，然后在較高的壓力下破裂，導致汽蝕、引起泵的振動。
【建議】對于高能泵，葉輪葉片與蝸殼/導葉之間的間隙應不小于上述推薦值。
5 結構設計
影響可靠性的結構設計很多，如承壓殼體、泵軸及底座的強度；結構件的受力及配合；軸向力的平衡方式；轉子動力學問題等。
如何從設計入手來解決產品的可靠性問題？這里有一些指導性原則 [6]：
1） 盡量采用經過驗證的成熟的技術。
2） 盡可能簡化結構，減少零件數量。
3） 盡可能采用標準化、模塊結構。
4） 設置故障監測和診斷裝置。
5） 保證零件部設計裕度（安全系數）。
6） 必要時采用冗余設計。
7） 失效安全設計。
8） 安全壽命設計。保證使用中不發生破壞而充分安全的設計。
9） 加強重要零部件的可靠性分析。FMEA（失效模式影響分析）和FTA（故障樹分析）是可靠性分析中的重要手段。
10） 可靠性確認試驗，在沒有現成數據和可用的經驗時，這是唯一的手段。
標準中與可靠性設計相關的條款較多，現摘錄一些典型的條款進行解讀。
5.1 ANSI/API610第11版標準增加了附錄K.1關于OH2和OH3型懸臂式泵的軸剛性的判定原則。
圖1顯示了一個簡易的懸臂泵轉子，D等于機械密封軸套處的軸徑（mm），L為葉輪出口中心線與徑向軸承之間的跨距（mm），軸撓性系數ISF=L3/D4。
圖2為懸臂式泵軸撓性系數與其尺寸因子的關系圖，圖中給出了一條用于判別軸剛性的限制線即剛性線（采用國際單位制時，其由公式ISF, SI= 32 × Kt-0.76來定義）。
圖中Kt為泵的“尺寸”因子，等于泵最大葉輪直徑、最高效率點流量Q×總揚程H / 轉速N（m3/h，m，r/min），與扭矩有關。從該圖可以看出：較小的泵比大型泵具有更高的L3/D4。
【解讀】API/ISO工作組回顧了來自一些用戶關于軸剛性及被制造商廣泛關注的軸撓性的紀錄。軸撓性系數逐漸發展成為一個直接的判定工具，用于評估真正的API泵與貼著API標簽但不符合API標準設計要求的泵[7]。
L3/D4是轉子剛度的度量標準，并成為間接評估或比較負載下轉子撓度的標準。
L3/D4越小，轉子撓度越小，這有利于提高機械密封的可靠性。如果L3/D4太大，特別是在接近泵關死點位置運行、水力徑向負荷過大的地方，泵軸可能會折斷[8]。
【建議】關于L3/D4的使用原則是：對于某一尺寸因子的懸臂泵，如果其撓性系數位于剛性線之下，則表明該泵為剛性軸設計，滿足API泵要求，是安全的；如果L3/D4的值超過剛性線20%，用戶應該要求泵制造商為其設計的合理性負責，或者提供相同或相近工況的運行業績。
5.2 條款9.2.4.1.1隨著泵設計的不同，（BB型）多級泵和高轉速泵的一階或二階濕橫向臨界轉速可能會與工作轉速相重合，特別是當內部間隙隨著磨損而增大時。橫向分析能夠預測出何時可能發生這種重合，以及由此引起的振動是否可以接受……
【解讀】標準對“橫向臨界轉速”的定義是：轉子-軸承-支撐系統處于共振狀態時的軸轉速。在臨界轉速下，轉子對于不平衡比任何其它轉速時更敏感。與其它類型的旋轉設備相比，泵轉子動力學涉及到更多的設計變量，了解臨界轉速的目的在于讓離心泵的工作轉速避開臨界轉速，以免引起共振。
泵的臨界轉速取決于軸的橫向剛度系數和圓盤的質量，而與偏心距無關。更具體的說，臨界轉速的大小與軸的材料、結構、粗細、葉輪質量及位置、耐磨環處間隙及表面型式、軸的支承方式等因素有關。臨界轉速還與軸所受到的軸向力的大小和方向有關，當軸向力為拉力時，臨界轉速提高，而當軸向力為壓力時，臨界轉速則降低。
【建議】雖然標準中給定了是否需要做橫向分析將根據表18中規定的流程來確定，但是實際工程應用中，對于一些重要場合高轉速或調速型泵、特別是大型多級離心泵，不管用戶是否有要求均需進行橫向臨界轉速分析，而且通常要求一階濕橫向臨界轉速高于泵額定轉速20 % 以上。另外，對于細長軸泵（如VS6），可以通過增加支撐的方式來提高軸子的剛性和臨界轉速。
6 產品加工制造
提高泵可靠性最簡單和最快捷的方法之一是加工制造出、并使用符合制造商原始規范的零件。
影響零部件加工制造質量的因素主要包括：尺寸及公差（含鑄造精度和加工精度）、跳動及撓度、零部件不平衡量等。
6.1 公差
對于一些重要尺寸，如軸向定位尺寸（影響轉子軸向對中）和配合尺寸，通常直接在圖紙上標有公差（包括尺寸公差和形位公差）范圍，這些尺寸必須嚴格控制。
對于其它非重要尺寸，其允許的公差要求通常按相關標準執行。
6.2 跳動及撓度
條款6.6.9應沿軸的全長進行機械加工并進行拋光，使總指示器跳動（TIR）不大于25 μm。
【解讀】限制軸的跳動的主要目的是避免泵運行過程中振動超標、而嚴重影響到軸承和機械密封的使用壽命。
【建議】可通過提高軸的剛度來達到標準要求。
實際工程應用中，新軸的跳動值通常要求控制在0.02 mm以內。
對于泵軸最大允許跳動限定值，不同的泵公司、針對不同規格及不同結構的離心泵，在實際應用中各有不同 – 有的放寬到0.04 mm，有的放寬到0.05 mm。不管限定值大小如何，最終必須確保其在滿足一定的可靠性基礎上使設備及零部件的使用壽命達到合同要求。
條款6.9.1.3為得到良好的密封效果，在最嚴重的動態條件下，在泵的允許工作范圍內（最大葉輪直徑和在規定轉速、規定的介質條件下），在主要密封面處，軸的剛度應當限定軸的總撓度小于50 μm。
【解讀】限制軸的撓度的主要目的與限制軸的跳動一樣，也是為了避免泵運行過程中可靠性降低，從而影響到機械密封的使用壽命。
【建議】也可通過提高軸的剛度來達到標準要求。對于蝸殼式泵，當泵的出口通徑達到80 mm及以上時，可通過采用雙蝸殼結構來平衡徑向力，以避免主要密封面處軸的撓度超標。
6.3 零部件的平衡
條款6.9.4.1葉輪、平衡鼓及類似的主要旋轉零部件應當進行到ISO 1940-1 G2.5級的動平衡...對具備過盈配合組件的BB1和BB2單級泵轉子，賣方可以選擇平衡轉子部件而不是單獨地平衡主要的旋轉零件。
條款6.9.4.4如果有規定，葉輪、平衡鼓及類似的主要旋轉零部件應當動平衡到ISO 1940-1 G1.0級……
【解讀】轉子不平衡是引起泵振動的一個非常重要的因素，轉子最好作為一個整體來進行動平衡。但是，由于受到結構（如懸臂泵轉子）及制造商試驗能力的制約，有些轉子無法進行整體動平衡試驗，可以進行分體動平衡（如懸臂泵轉子可以采用芯軸僅對葉輪進行動平衡）。ISO1940-1標準允許進行分體動平衡，但要求“每個部件的剩余不平衡度均小于整體部件的剩余不平衡度”。
注意：API610標準明確規定，平衡試驗的轉子不包括泵的半聯軸器和機械密封旋轉部件。
至于轉子動平衡精度達到G1.0級的要求，使用現代平衡設備是完全可以做到的。但是由于與不平衡量相關的質量偏心距太小，當轉子動平衡后，很多泵型的轉子均需要經過拆卸、重新裝配，質量偏心距將會發生變化，平衡精度等級無法得到保持。因此，對于動平衡精度等級要求，實際工程應用中國內外普遍按G2.5級執行，且經過幾十年的運行驗證，完全能滿足泵的可靠性要求。
【建議】動平衡之前，應檢查泵轉子葉輪口環處的跳動，不應超過設計要求。
7 產品裝配
對于一些重要用泵，通常僅允許經過專業培訓的、合格的人員從事裝配工作。同時，應根據良好的機械工程實踐經驗來進行裝配。
產品的裝配涉及到正確的安裝、對中及緊固。對于一些較大型、臥式泵的轉子，還涉及到抬軸的問題。在此不再贅述。
8 配套件選型及設計
離心泵本體主要配套件包括機械密封和軸承。它們對泵的運行可靠性有著重大的影響，也是離心泵最容易出現故障的部件。
8.1 機械密封
條款6.8.1泵應當配有API682標準[9]中規定的機械密封和密封系統。泵和密封接觸面尺寸應按照本國際標準的表7和圖26……
【解讀】對于軸封型離心泵來說，機械密封及其系統屬于本體上非常重要的部件，如果選型、使用不當，不僅直接影響到泵組的運行可靠性，而且對企業財產、員工的人身安全及環境帶來威脅。API682標準給出了機械密封的選型步驟和密封沖洗方案的指導意見，該標準以實踐經驗為依據，特別強調靈活運用。
【建議】工程實踐中，對于絕大多數常用工況，可以直接采用該標準推薦的機械密封結構及沖洗方案。對于一些特殊工況，可根據供應商的實際應用經驗，選擇更合適的機械密封結構及沖洗方案。
8.2 軸承
條款6.10.1.1每根軸均應由兩個徑向軸承和一個雙作用的軸向（推力）軸承支承……軸承應該采用下列組合中的一種：
- 滾動徑向軸承和滾動推力軸承；
- 流體動壓徑向軸承和滾動推力軸承；
- 流體動壓徑向軸承和推力軸承。
除非另有規定，軸承應按表10中規定的界限選用。表10關于軸承的選擇：如果能量強度（即泵額定功率kW和額定轉速r/min的乘積）為4百萬或更大，則必須使用流體動壓徑向軸承和推力軸承。
【解讀】標準規定離心泵軸承的配置方式分為三種，且當泵的能量強度大于等于4百萬時，必須采用流體動壓徑向軸承和推力軸承。
【建議1】離心泵軸承的選擇主要考慮以下因素：負荷（大小和方向）、轉速、潤滑和軸向位移。實際工程應用中，通常按兩倍的實際最大負荷來選擇軸承。對于一些特殊應用工況（如高吸入壓力工況），軸承確定后，應對軸承使用壽命進行估算，以確定是否滿足標準或合同要求。具體計算方式可參見相關軸承標準（如ISO 281）、軸承供應商手冊（如SKF）或文獻[10]。
【建議2】很多場合，離心泵既可采用流體動壓軸承也可采用滾動軸承，從承載能力和使用壽命來說流體動壓軸承具有明顯的優勢，但卻無價格優勢。在選型時，應綜合考慮各種因素。對于普通流程泵，盡可能采用滾動軸承。
9 選型
當泵制造商收到買方的詢價資料時，需要進行的第一項工作就是選型。合理的選型不僅有利于泵制造商提高中標概率、降低用戶投資成本，而且直接影響到泵（組）是否能夠長期、安全可靠運行。
每臺離心泵都有一個特定的流量運行范圍，也可以說，離心泵是為特定流量運行范圍而設計的。當泵型合適且運行于最佳效率點（BEP）時，作用在葉輪上的徑向力最小。這樣可以使泵獲得最高的效率和最小的振動。
如果泵偏離BEP運行，泵內部將出現受力不平衡，這種不平衡會導致泵軸發生偏移、軸承和機械密封過度負載、過度振動并產生過度的熱量，所有這些都會顯著降低泵的壽命，增加過早故障的可能性。由于大多數泵的運行條件是動態的，并且實際流量和壓力要求會發生變化，因此確定泵的大小以使其在BEP或附近運行非常重要[11]。
影響離心泵選型的因素很多（如流量、揚程、溫度、介質特性、入口壓力、現場條件、執行標準、市場因素等），如何快速合理地選擇離心泵是一個較復雜的過程，可參考文獻[12]。
10 其它
影響泵運行可靠性的其它因素還有：不適當的（現場）安裝、調試和運行。
10.1 現場安裝對中
條款6.3.3壓力泵殼應設計成：
a) 在同時承受最大允許工作壓力（及最高工作溫度）和表5中列出的作用到每個管口上兩倍允許管口負荷的最壞組合情況下，做到運轉無泄漏或旋轉部件與靜止部件之間無接觸。
b) 經得住水壓試驗。
附錄F條款F.1.1 （臥式泵）可以接受的管路配置不應引起泵和驅動機之間過度不對中。管路配置產生的管口載荷在表5規定的范圍內時，泵殼體變形應限制在泵制造商設計標準的一半以內（見6.3.3），并確保泵軸的位移小于250 μm。
【解讀】在泵運轉過程中，旋轉部件與靜止部件之間出現接觸摩擦是導致振動超標、可靠性下降的主要因素之一。因此，壓力泵殼要有足夠的強度 - 確保在泵運行過程中動、靜零部件之間無接觸。同時，在現場管路傳遞到泵接口上的負荷為表5的一倍值時，殼體的變形量不應超過動、靜零部件之間總間隙值的一半。另外，在最壞組合情況下，要求泵底座的最大變形量（導致泵軸的徑向位移）不超過250 μm。
【建議】對于一些重要場合用泵，應考慮到現場可能存在的最大接管載荷（往往達到表5中列出的允許管口負荷的2.5~4倍，甚至更大），并以此來核算壓力泵殼及底座的強度，避免過量變形、導致動/靜零部件之間發生摩擦或泵與驅動機之間過度不對中，引起振動和泵可靠性降低。
良好的對中可以大大提高泵組的使用壽命。泵組對中時需要注意的事項：
1） 對中基準。標準規定：泵腳的下面（泵腳與底座之間）不允許使用墊片。也就是說API泵（組）要求以泵為基準進行對中，并且規定了驅動機組件（如電動機+齒輪箱）下面所使用墊片的具體要求。
實際工程應用中，對于一些大型機組，由于驅動機往往遠重于泵（如帶有增速或變速設備的百萬機組核電站常規島主給水泵組），通常以驅動機為基準進行對中。
2） 熱膨脹影響。運行過程中，泵送高溫介質和泵組部件溫度的上升均會引起聯軸器安裝盤在不同方向上的熱位移（熱膨脹）。因此，對于一些大型、熱態復雜的泵組（如上述的主給水泵組），在冷態下進行聯軸器對中時，必須對此熱位移進行補償。
10.2 調試
正如上文所說的：每臺離心泵都有一個特定的流量運行范圍，一旦超出該流量運行范圍（如低于最小連續穩定流量），將會引起內部回流、汽蝕、額外的徑向力（特別是單蝸殼泵）及液體溫度的升高等，從而引發機械振動和噪音的顯著增加，輕則大大降低機械密封和軸承的壽命，重則發生斷軸、進而導致整個轉子及其配合零部件的嚴重損壞。
實際工程應用中，不少用戶習慣性采用低負荷調試，使泵較長時間內處于最小連續穩定流量附近運行；或者在產品調試期間由于對設備運行維護手冊未充分理解，認為離心泵可以在任何工況（包括最小連續穩定流量以下、甚至零流量）下都能較長時間運行；
再或者因為產品處于“質保期內”，極少數用戶為了防止正常運行時出現誤操作，而在調試階段有意嘗試在某些禁止工況下運行。對于離心泵來說，在最小連續穩定流量以下運行屬于破壞性運行工況，必須避免或禁止。
10.3 運行
由于缺乏經驗，不少買方/工程公司/用戶很難準確地計算出系統阻力，但為了確保性能滿足使用要求，從買方到設計方再到泵制造商，不得不層層增加（性能）安全余量，從而導致離心泵的選型不合理（泵型偏大），始終偏小工況運行。這給用戶帶來一系列的問題：效率低下、可靠性降低、機械故障頻繁、運行和維護成本不斷攀升。
【建議】實際工程應用中，出現泵選型偏大的情況比較常見。最佳的處理措施及建議是：盡快與泵制造商聯系，更換新的、滿足現場實際性能的水力零件 – 葉輪。
10.4 現有產品提高可靠性的手段
隨著科技的不斷進步，數字化或數字化轉型已經成為企業發展的必然趨勢。對于離心泵行業來說，面臨的最現實的難題是：如何使你的泵適應未來？同時業主和運營商還想知道：如何使用數字化方法改進圍繞泵維修和服務的流程以及如何使泵智能化（并提高運行可靠性）？有沒有一種方法可以在不產生重大費用的情況下啟動該流程？
答案是明確的：有，即對離心泵提供“狀態監測”。狀態監測不僅可以適時地監測泵的運行參數，而且還可以根據運行參數的變化進行趨勢預測 – 確定泵的運行狀態，并預測出機械零部件的使用壽命、故障可能發生的時間，以便在預期或規定的期限內對問題進行糾正。
如德國KSB公司于2018年底首次推出了一款被稱為“KSB Guard”的監測裝置，解決了這些問題，如今該監測裝置已經被多家大型國際制造商采用。這種KSB Guard的監測設備，即使在運行期間也可以將現有泵轉化到數字世界。
該監測設備結構緊湊，包括三個組件：傳感器單元、變送器和電池單元、網關。借助KSB Guard，每一臺泵都可以快速、輕松地集成到工業物聯網（IIoT）中。整個安裝和調試過程既快捷又高效，很容易將現有的泵變成智能泵，并使工廠和泵適應未來[13]。
11 總結
影響離心泵運行可靠性的因素主要包括泵本體設計、產品加工制造及裝配、配套件選型及設計和現場安裝應用，只有管控好每個環節的質量，才能打造出高可靠性的產品。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
