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11 LNG 接收站海水泵振动故障分析与处理接收站海水泵振动故障分析与处理 吴海洪（国家管网集团海南天然气有限公司，海南儋州 578001）摘摘 要：要：国内某液化天然气（LNG）接收站海水泵振动故障极大影响现场工艺生产，利用计算流体动力学（CFD）模拟、有限元分析和振动频谱分析，结合现场检查和测试，发现“卡门涡街”、电机与泵体共振为振动故障频繁发生的原因，并给出解决方案，为处理海水泵振动故障提供参考。关键词：关键词：海水泵；振动；计算流体动力学（CFD）；Ansys；频谱 中图分类号：中图分类号：TE95 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.004 Analysis and Treatment of LNG Receiving Terminal Sea Water Pump Vibration Failure WU Haihong(Pipechina Hainan Gas Co.,Ltd.,Danzhou 578001,Hainan,China)Abstract:Vibration failure happened to sea water pump of a domestic liquefied natural gas(LNG)receiving terminal,which strongly influence the normal process operation.By computational fluid dynamics(CFD),finite element analysis,and vibration spectrum analysis,combined with on-site inspection and testing,it is found that Carmen Vortex Street and resonance between the motor and pump body are the reasons for frequently occurrence of vibration faults,and solutions are provided,which provide reference for dealing with vibration failures of sea water pumps.Key words:sea water pump;vibration;computational fluid dynamics(CFD);Ansys;frequency spectrum 0 引言引言 海水泵是液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）接收站关键设备，为天然气汽化外输提供热交换介质。国内某LNG接收站设计有4台长轴海水泵，额定流量6 430 m3/h、额定扬程38 m、转速745 r/min、设计压力0.55 MPa、设计温度65、操作压力0.41 MPa、操作温度30。海水泵投入测试使用后，发现存在振动高故障，导致海水输送无法正常运行，极大影响工艺生产1-2。引起海水泵振动高故障的原因有很多，包括泵轴轴承失效、泵筒强度不足、涌浪及水力波动 等，通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟、有限元分析和振动频谱分析，结合现场检查和测试，发现“卡门涡街”、电机与泵体共振是振动故障频发的原因。通过在泵筒底部增加抱箍以及在泵体基座增加支撑的方式解决上述故障，在保障LNG接收站天然气汽化外输正常运行方面具有重要的意义3。1 海水泵概述海水泵概述 项目配置的立式海水泵主要由电机、联轴器、推力轴承、泵筒、泵轴（总长近14 m）、泵轴承和 作者简介：吴海洪（1987），男，工程师。研究方向：液化天然气设备完整性管理。12 cademic Research 技术交流 A 叶轮等组成，采用电机驱动，电机的动力通过联轴器带动泵轴和叶轮转动。海水泵振动探头配置情况见表14。表 1 海水泵振动探头配置情况（单位：mm/s）测点位置 报警值 跳车值 传感器类型 x 方向 7.1 11.2 速度传感器 y 方向 7.1 11.2 速度传感器 z 方向 7.1 11.2 速度传感器 浸没在海水里的叶轮转动后，海水被离心力送到泵出口，然后通过海水管道输送到开架式汽化器（Open Rack Vaporizer，ORV）汽化低温天然气。每台海水泵推力轴承处配备有3个振动探头，分别测量x、y、z等3个方向，并把信号上传到中控分散控制系统（Distribution Control System，DCS）的独立振动分析仪器。2 “卡门涡街卡门涡街”原因及处理过程原因及处理过程 2.1 故障现象故障现象 在运行测试阶段，海水泵流量逐步上升：当流量达到5 000 m3/h时，振动随即升高，并发现电机和泵体出现明显晃动；当达到6 000 m3/h时，x、y、z方向振动接近报警值7.1 mm/s，同时泵筒存在约1 Hz频率摆动。海水泵泵筒摆动方向见图15。图 1 海水泵泵筒摆动方向 2.2 故障初步分析故障初步分析 通过查阅资料并与厂家沟通、讨论，总结导致泵振动高故障的原因主要包括：地脚螺栓拧紧力未达到规定值、泵轴轴承失效、泵筒强度不足、涌浪及水力波动、泵及泵管路系统产生的水力压力脉动和泵筒绕流卡门涡街现象等。2.3 地脚螺栓未拧紧原因地脚螺栓未拧紧原因 按照从易到难的排查原则，核实地脚螺栓拧紧力是否未达到规定值550 N m，若未按照规定拧紧，将直接导致振动高故障。拆除灌浆层后，使用扭矩扳手对地脚螺栓进行拧紧并进行重新测试。经测试，海水泵振动高故障依然存在，排除了地脚螺栓未达到规定值的原因。2.4 泵筒强度泵筒强度 Ansys 分析分析 运用Ansys有限元分析软件，对泵筒在1 Hz频率摆动的情况下进行应力模拟（见图2）。经对比核实，泵筒强度满足设备运行和设计要求，不会导致振动高故障现象。图 2 泵筒应力有限元分析 2.5 CFD 模拟模拟 运用计算流体动力学（CFD）对海水泵流道水流方向 泵摆动方向 13 水流运行情况进行模拟，结合数值数学和计算机科学，将流体力学控制方程中的积分、微分项近似地表示为离散的代数形式，并使其成为代数方程组。流道里海水流速一般为5.0 m/s6.3 m/s，通过CFD模拟（见图3和图4）分析发现，水流沿着泵筒会产生诸多“涡街”（即“卡门涡街”），这些“涡街”分离时会对泵筒产生径向力，造成泵筒摆动，可能是泵振动高故障原因，但需进一步验证测试。图 3 CFD 模拟情况 1 图 4 CFD 模拟情况 2 2.6 现场检查和测试现场检查和测试 为进一步验证“卡门涡街”对泵筒振动高故障影响，同时测试泵管路系统产生的水力压力脉动、涌浪波动的实际数值，以评估对泵影响程度。1）在泵筒中部及基座位置分别安装x和y方向（即泵筒径向方向）振动传感器（总共4点），以测量海水泵在不同位置的振动情况进行测量，包括振动的大小和振动频率等。测试工况测试点设 定为流量5 000 m3/h、5 300 m3/h、5 600 m3/h、5 900 m3/h、6 200 m3/h和6 430 m3/h，共6个工况。2）当泵运行时，海水以一定的速度通过流道进入泵底部，高速海水与流道壁面会产生撞击及流体回弹，同时又与来流海水产生撞击，如果涌浪的频率和海水泵泵体的频率一致，则会产生共振，导致振动高故障的发生。因此，在流道多个位置设立流速仪测量进水池不同位置的海水流速瞬时速度，分析涌浪的大小和频率。3）在海水泵出口处安装压力脉动传感器，利用高精度信号采集系统，分析泵管路系统中的压力脉动大小及频率，寻找引起泵体摆动的水力激励源。4）为分析泵体绕流的“卡门涡街”脱落频率，在泵体与进水池后壁之间设置压力传感器，测试泵体产生的“卡门涡街”的脱落频率。5）拆解电机并进行返厂测试，电机工作正常；拆解泵体，并检查泵筒、泵轴、轴承和叶轮等关键部件，未出现损伤。通过系列现场测试和检查，得出地脚螺栓未拧紧、浪涌、泵管路系统水压脉动和泵轴承损坏等不是泵振动故障高原因，而“卡门涡街”的脱落频率接近1 Hz，极易引起泵体振动。2.7 技术改造技术改造 为解决“卡门涡街”影响，须在泵筒底部增加抱箍，以限制泵筒低频率摆动。改造完成后，经测试，泵体振动值明显减小，海水泵恢复正常工作，泵筒底部增加抱箍见图5。图 5 泵筒底部增加抱箍 14 cademic Research 技术交流 A 3 电机与泵体共电机与泵体共振原因及处理过程振原因及处理过程 3.1 故障现象故障现象 在第一次技术改造之后，其中1台海水泵正常运行近半年，海水泵振动数值慢慢上升到接近高报警状态，而其他3台泵运行正常。3.2 现场测试现场测试 本次振动高故障发生疑似由电机损伤引起。首先，拆卸电机并返厂检查，结果显示：电机本身无损伤，不影响海水泵正常运行。而后，运回现场进行再次测试，使用振动检测仪测试电机的振动频谱，发现振动高的频率以电机转速基频率12.42 Hz（转速745 r/min）为主，怀疑电机与泵体产生共振。3.3 Ansys 分析分析 根据振动频谱分析，研究在泵体基座4个方向增加支撑，以改变泵体固有频率。通过Ansys软件建模分析，泵体的1阶固有频率13.95 Hz、2阶固有频率14.29 Hz分别提升到18.51 Hz、19.35 Hz，从而提高了共振避开率（与电机基座频率12.41 Hz相比，1阶固有频率避开率从12.31%提高到49.05%、2阶固有频率避开率从15.06%提高到55.86%）。3.4 技术改造技术改造 根据Ansys分析和研究结果，在海水泵泵体基座增加4个支撑（见图6），以改变泵体基座固有频率。经测试，技术改造效果良好，海水泵振动高故障得到解决。图 6 泵体基座增加支撑 4 结论结论 导致LNG接收站海水泵振动故障频繁发生的原因有很多种，利用Ansys分析、CFD分析、频谱分析及系列现场测试，依次排除了地脚螺栓未拧紧、泵轴轴承失效、泵筒强度不足、涌浪及水力波动等影响因素，发现“卡门涡街”和“电机与泵体共振”是引发海水泵振动高的主要原因，并分别通过在泵筒底部增加抱箍以及在泵体基座增加支撑的方法，解决了相关故障。参考文献：参考文献：1 雷凡帅,戴俊明,黄科.LNG接收站海水泵振动异 常分析及处理J.天然气技术与经济,2017(增 刊 1):98-100.2 王珲,彭彦平,庞桂兵,等.海水泵的振动与模态分析J.大连工业大学学报,2016,35(4):308-312.3 匡正.大型立式异步电机振动分析及处理方法J.上海大中型电机,2013(1):45-49.4 王华青,汪江,陆颂元.发电设备状态监测和状态检修的若干技术问题J.汽轮机技术,2003(6):337-339.5 陈林斌,水明星,贾银凤.国产海水泵在 LNG 接收站的应用J.天然气技术与经济,2016,10(3):53-56.