李旋翻译 输油管道中往复式三柱塞泵的震动与失效问题分析Word下载.docx

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休斯顿德克萨斯

ABSTRACT

Ananalysiswasmadetoidentifythecausesofvibrationandfailureproblemswiththepipingandreciprocatingpumpinternalsonanoilpipelinepumpstation.Afieldinvestigationwasmadetoobtainvibrationsandpulsationsovertheentirerangeofplantoperatingconditions.Thedatashowedthatcavitationwaspresentatnearlyalloperatingconditionsduetothehighpulsationsinthesuctionsystem.Thedischargesystemexperiencedhighvibrationsandpipingfailuresduetotheineffectiveoftheaccumulator.Anacousticalanalysisofthesuctionanddischargesystemwasmadetodesigntheoptimumacousticalfiltersystemstoalleviatetheproblems.Theacousticalanalyseswereperformedwithadigitalcomputerprogramwhichpredictstheacousticalresonantfrequenciesandthepulsationamplitudesoverthespeedrange.Thispaperdiscussestheinvestigationsandgivesrecommendationsforpreventionofthesetypesofproblemsinthefuture.

摘要

本文完成了对某泵站输油管线振动原因及往复泵内部部件失效原因的分析。

为获得全部运行工况下的振动量和脉动值,本文进行了现场研究。

现场数据表明：

由于吸入系统中存在较高的液流脉动,在近乎所有的运行工况下中存在气穴现象。

由于排出系统的缓冲器无效，故排油管线存在剧烈振动和管路失效。

为了设计出优化的声学滤波系统来缓解上述问题,本文对吸、排系统进行了声学分析。

声学分析由数字计算机程序完成，该程序预测出在全部速度范围内的声学共振频率和脉动幅值。

本文还讨论了这些研究结果，并给出了若干建议以防止诸如此类问题的发生。

INTRODUCTION

Problemswereexperiencedwithfourtriplexreciprocatingcrudeoilpumpsoperatinginparallel

attheDinaPumpingStationlocatedinColombia（Figurel）.Thepumpshadaratedspeedof275rpmwithacapacityof388gallonsperminute.Thenominalsuctionpressurewas60psig（414kPa）andthedischargepressurewas1800psig（12400kPa）.TheDelrinpumpvalveshadrepeatedfatiguefailuresbeginningthreemonthsafterstartup.ThedischargevalvediskswerereplacedwithsteelandtheDelrindisksusedonthesuctionvalveswerereplacedevery90daystoavoidfatiguefailures.Valvefailureswerecontrolledafterthefirst9monthsofstationoperation.Forthefirstfourmonthstherewerenopullrodfailures;

however,therehavebeen18failuresinthefollowingyearandahalf.Manyofthesefailuresrequiredreplacementofthecrosshead,theguidewaysandontwooccasionsabrokenorbentconnectingrod.Thesuctionanddischargepipingsystemsvibratedexcessively,resultinginseveralpipingfatiguefailures.Attemptstocontrolthepipingvibrationswithpipeclampsandadditionalsupportswereunsuccessful.

引言

问题发生在位于哥伦比亚的迪那泵站，四台三柱塞式往复原油泵并机运行（图1），往复泵的额定转速为275rpm，额定排量为每分钟388加仑，正常的吸入压力为414千帕，排出压力为12400千帕。

聚脂阀片在启动之后三个月内反复出现疲劳失效。

排放阀片由钢质替代，用于吸入阀片每隔九十天进行更换以防疲劳失效。

在油泵站运行的前九个月，阀的失效得以控制，因为前四个月不会有拉杆失效问题，然而，在接下来的一年半中出现了十八次这样的失效。

许多这样的拉杆失效需更换十字头，导轨，有两种情况出现了连接杆断裂或弯曲。

吸、排输油管线振动过大，导致若干输油管线疲劳失效。

试图用管卡和附加支撑来控制输油管线振动往往无效。

Thefourpumpshadacommonsuctionheadersuppliedbyachargepumpwhichwascapableofsupplyingpressuresup090psi（621kPa）.Thedischargeofthefourpumpsfedintoacommonheaderwhichconnectedtothemainpipeline.Theoriginalpipingdesignincludedbladder-typeaccumulatorsonboththesuctionanddischarge.

四台泵共用一只吸入集油管，用一台排油泵为该集油管提供621千帕吸入压力。

四台泵共用一只排出集油管，排出集油管与主管道相连，原设计中吸入、排出管路均包括有气囊式缓冲器。

Itwasdifficulttokeepthepumpsrunningsmoothlysinceconstantmaintenancewasneededtokeeptheaccumulatororbladderpressureschargedtoapproximately60t070percentoflinepressure.Thestaticdischargepressurecouldchangefrom700psig（4826kPa）tomorethan1600psig（11032kPa）inafewminutesifthedown-lineboosterstationwentdown.Whenthishappened,theaccumulatorwasineffective.

要维持这些油泵平稳运行十分困难，因为缓冲器中的气囊需要持续充压以达到约百分之六十至七十的管路压力。

如果下游增压站运行工况发生变化，排出静压在几分钟之内能从4826千帕增加到11032千帕以上。

若这种情况发生，缓冲器便会失效。

Thecostofthepartsandlaborthatcouldbeattributedtothisproblemwasinexcessof$500,000.Tenneco,thepipingdesignerandthepumpmanufacturerbeganastudytodeterminethecauseorcausesofthevibrationsandfailures.However,thecomplexrelationshipofthesystemvariablesmadeitdifficulttodevelopdefiniteconclusions.

由于这些问题导致的另部件成本和人工费用多达50万美元。

在太耐克公司内部（Tenneco）,管路设计人员和制造商已经展开了对振动及管路失效原因的探究，然而，系统中变量之间的关系复杂使产生一个明确的结论很难。

Therewereseveralchangesduringthisphaseinavibrationsandreducethemadeinthepipingsystemattemptimprovethefailure.Theseincludedchangingthepiping（attherecommendationoftheaccumulatorvendor）sothattheflowwouldbedirectedatthebladder.Thispipingmodificationdidnotimprovethepulsationcharacteristicsofthesystem.

在此期间,致力于改善振动以及减少管路失效对于管道系统也做过许多整改工作。

包括调整管道使液体能直接通向气囊（在缓冲器供应商的建议下）。

此次管道改造也未能改善系统的脉动特性。

AnothermodificationwhichwastriedonthesuctionsideofpumpsIand3wasthereplacementofthebladder-typeaccumulatorswithnitrogen-charged,flow-throughaccumulators（Figurel）.Nonoticeableimprovementswereobservedafterthesechangeswereimplemented.

另一种致力于泵的吸入端1和3的修正是气囊式充氮缓冲器和流通式缓冲器的置换。

但是在这些修正之后泵的脉动特性并没有很显见的改善。

FIGUREl.PumpPipingLayoutShowingPressure

MeasurementLocations

图1..泵管路布置的压力测量位置视图。

Theseverityoftheproblemsbroughtthebasicdesignofthesystemintoquestionsincethesuctionanddischargeleadlinesfromtheheaderstothepumpmanifoldwereshorterthannormalformostpipelinestations.Thepumpswerelocatedon16foot（4.88m）centerswiththesuctionanddischargeheaderslocated10to12feet（3.05t03.66m）awayfromthepumpflanges.

自从从源头到泵体的吸入和排除主管道在大部分管路位置比正常的变得更短之后，系统基本设计的问题严重性出现了。

泵体位于比吸入和排出端高16英尺的位置，而吸入和排出端离泵的法兰大约10到12英尺的位置。

Thestationcapacitywas39900barrelperday（264m3/h）whenthepumpswereattheirratecapacityof388gallonsperminute（88m3/h）.thisresultsinafluidvelocityof3.3ft/s（1m/s）inthe12inchschedule40suctionmanifoldand6.9ft/s（2.1m/s）inthe10inchscheduleXSdischargemanifold.Theflowvelocitiesintheindividualpumppipingwere1.1ft/s（0.34m/s）inthe12inchstandardweightsuctionpipeand2.7ft/s（0.82ra/s）inthe8inchextraheavydischargepipe.

当泵的功率容量达到388加仑每分钟（88立方米每小时）时，水站的容量是39900桶每天（264立方米每小时）。

这个导致了流体的速度为3.3英尺每秒（一米每秒）在12英寸的吸入室，和6.9英尺每秒（2.1米每秒）在10英寸的排出室。

泵的独立管道流体速度是1.1英尺每秒（0.34米每秒）在12英寸标准重量的吸入管道和2.7英尺每秒（0.82米秒）在8英尺的附加重排出管道。

EngineeringDynamicsIncorporated（EDI）wasrequestedtoinvestigateandmakerecommendationstoalleviatetheproblems.Thefirststepintheanalysiswastomodeltheacousticalcharacteristicsofthepipingsystemsonadigitalcomputerprogramtodefinetheexpectedpulsationresonancesandtheoverallamplitudesinthesuctionanddischargepiping.Adetailedfieldinvesrigationwasthenmadetoevaluatethepulsationandvibrationcharacteristicsofthepumps.Solutionswerethendevelopedtoeliminatetheproblems.

Engineeringdynamicsincorporated被要求去调查和对其中一种问题作推荐，分析第一步就是在电子计算机程序上模仿其声音特性并在吸入和排出管道中定义其期望的脉动相应和最大振幅。

为了评估泵的脉动特性和振动特性，做了一个很详细的广泛的调查。

研究出消除这些问题的解决方案。

FIELDINVESTIGATION

InstrumentationAndTestProcedures

Theinstrumenrationanddataacquisitionsystemusedtodeterminethepulsationandvibration

characteristicsareshowninFigure2.Piezoelectricpressuretransducersandaccelerometerswereusedtomeasurechepresaurepulsationsandthevibrations.AsketchofthepumpsuctionanddischargepipingillustratingsomeofthepressuretestpointsareshowninFigurel.Thepulsationandvibrationsignalswereanalyzedforfrequencyconr:

entwithatwochannelHewlett-Packard

3582AFFTanalyzeranddocumentedonaHP7470Adigitalplorter.TheanalyzerandinstrumentswerecontrolledbyanAppleII+microcomputerusingsoftwarewrittenspeciallyforanalyzingvibrationandpulsationdata.TorsionalvibrationsweremeasuredwithaHBMtorsiographmountedonthestubendofchepiniongearshaftonpumpl.

现场调查研究

仪器和测试流程

如图2所示仪器和数据获得系统是用来用来测量脉动和振动特性。

压力电压转换器和加速极用来测量压力，脉动和振动。

泵的吸入和排出结构的一些测量点如图1所示。

频率容量的脉动和振动信号的分析和测量是由双通道hewlett-packard3582AFFT分析器和一台HP7470A数字计量仪测量的。

这个分析器和仪器是由一台苹果的II+微机利用专门为分析振动和脉动数据的软件控制。

扭转振动式由一台在泵1转轴齿轮末端转轴测量仪所测量的。

2ChannelFFTAnalyzer通道FFT分析仪

Micro-Computer微型计算机

FloppyDi3kDrive软盘Di3k车道

DigitalPlotter数字绘图仪

TuneableFilters可调滤波器

2ChannelOscilloscope2通道示波器

TransducerS18nalConditionerandPowerSupply传感器S18nal调节器和能源供应

8ChannelFMTapeRecorder8频道FM录音机

FunctionGenerator函数发生器

StrainGageAmplifierandFrequencyDemodulator应变放大器和频率解调器

FIGURE2.DataAcquisitionSystem

数据咨询系统

VibrationandPulsationTesting

Theinitialvibrationsurveysrevealedhighvibrationamplitudesonthepiping,indicatinglargeexcitationforcespresentinthepipingsystem.analysisofthepresentpulsationwaveformsrevealedseverecavitationinthesuctionpipingsystem.Thiscavitationwasthesourceofthehighenergecausingthehighpipingvibration,valvefailures,andpumppartfailures.

震动与脉动测试

最初的震动调查最初的调查显示，在管道中的高震动频率，预示着大的集电冲力存在于管道系统分析，现有的震动波形揭示了吸入系统中严重的气穴现象，高能量引起的高震动，阀门失效以及部分管道失效皆源于此种气穴现象。

Cavitation

气穴

Forliquidreciprocatingpumps,thestaticpressureinthesuctionsystemmustbeadequtetocompensateforaccelerationhead,andthepulsationspresentinthesystem.Thisensuresthatthepressureoftheoilwaslessthan2psia.whenpulsationsexitinasystem,theywillbeaddedtothestaticpressureandanegativepeakwhichwillbesubstractedfromthestasticpressure.Ifthenegativepeakofthepulsation,whensubtractedfromthestaticpressure,reachesthevaporpressure,thefluidwillcavitate,resultinginhighpressurespikesastheliquidvaporizesandthencollapsesasthepressureincreasesabovethevaporpressure.

对于液态往复式泵来说，吸入系统中的静压力必须足够弥补系统中的加速头和脉动。

这就保证了石油的压力小于2psia.当脉动存在于系统中时，它们将被添加到静态压力和负峰之上，负峰是从静压力中扣除的，当脉动的负峰从静压力下扣除时达到饱和压力，那么液体将会产生气穴，然后在液体蒸发时产生峰值高压，最后在蒸汽压力之上的压力便会崩溃。

Toillustratetheeffectsofcavitation,considerthepressure-timewave