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离心泵可靠性 — 硬币的第三面
2021-04-29 13:08:33蒋 华1 谢小青2

摘 要:对于很多用户来说,不仅希望买到质量可靠、效率高、汽蚀性能好的产品,而且同时还希望价格便宜。然而,可靠性、效率和价格如同硬币有了第三面一样,不可能同时存在。文章将结合工程实践经验及前人研究的成果,就可靠性与效率、寿命、临界转速及生命周期成本之间的关系进行探讨,期望能对广大用户有所借鉴。

关键词:离心泵;可靠性;效率;寿命;临界转速;生命周期成本

背 景

对于一些老的技术人员来说,这个题目是不是有一种似曾相识的感觉?没错!1980s年代,沈阳水泵研究所曾经翻译过美国Igor J. Karassik的一篇著作“可靠性 – 硬币的第三面”。之所以采用了同样的标题,一是因为其研究成果今天仍然具有一定的参考价值,另一方面也是对前辈表达一种敬意。

近些年来,随着我国经济的发展,工业行业也得到了长足的发展,在生产企业中电机应用系统的数量不断增加,电机系统用电量占到了工业用电量的60 % ~ 70 %,而泵的用电量又占电机系统用电总量的近三分之一。

我国是能源资源严重短缺的国家,随着能源成本的不断增加,设备能耗越来越成为人们关注的焦点。为了促进我国节约资源和保护环境的基本国策,以提高能源利用效率和改善生产环境质量为目标,2016年国务院印发《“十三五”节能减排综合工作方案》(以下简称《方案》),明确了“十三五”节能减排工作的主要目标和重点任务,对全国节能减排工作进行全面部署。并将电机系统能效提升纳入重点节能工程。在强化重点用能设备节能管理内容中特别提出:淘汰低效电机、变压器、风机、水泵、压缩机等用能设备,全面提升重点用能设备能效水平。

对于每个用户来说,不仅想买到质量可靠、效率高的产品,而且还希望价格便宜,这是人之常情,可以理解。然而,可靠性、效率和价格如同硬币有了第三面一样,不可能同时存在。

如果要选择一个单独的标准作为衡量一台设备的相对优秀程度,要求这台设备在大修前能够长期连续运行而不必停机拆卸检修、更换某些零部件、花费时间和金钱,那么,最好的衡量尺度是可靠性。

文章就离心泵可靠性设计及应用中所涉及到的一些重要因素,如产品质量、效率、寿命、临界转速、生命周期成本等与可靠性之间的关系进行探讨,期望能对广大用户有所借鉴。

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名词及术语

临界转速

API 610第11版标准[1]对临界转速的定义为:转子-轴承-支撑系统处于共振状态时的轴转速。

可靠性

在规定的条件下和规定的时间区间内,完成规定功能的能力,称为产品的可靠性。可靠性是与时间相关的质量指标,产品只能在一定的时间范围内达到可靠性目标值。

生命周期成本(LCC)

是指在产品有效使用期间(即全生命周期内)所发生的与该产品有关的所有成本,包括开发(计划、设计和测试)、生产制造、产品营销、物流、使用及维护、废弃及处置等的成本。

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关于可靠性的总的看法

可靠性对于很多人来说,都是一个比较模糊和难以确定的一个概念,即使是经过专业训练、素质很高的产品设计和应用工程师也很难用几句话来表达清楚。这就是为什么一个用户在收到制造厂提供的几种选择(价格、效率和可靠性)中做出购买决定是多么的困难。

如果将价格和效率当作“硬币”的两个面来看待,那么工程师们必须学会考察硬币的第三面 – 可靠性。用这个比喻,更进一步来说,硬币的第三面,将告诉工程师们更为重要、更具有价值的一面[2]。

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影响离心泵可靠性的因素

影响离心泵可靠性的因素很多,主要分为四大类:泵本体设计(执行标准、水力设计和结构设计)、产品加工制造及装配、配套件选型及设计和现场安装应用。其中最主要的影响因素为:

1)寿命

2)效率

3)临界转速

4)生命周期成本

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可靠性与质量之间的关系

人们经常将可靠性与产品质量理解为同一概念。

定义

百度百科对产品质量的定义:是指产品满足规定需要和潜在需要的特征和特性的总和。任何产品都是为满足用户的使用需要而制造的。对于产品质量来说,不论是简单产品还是复杂产品,都应当用产品质量特征或特性去描述。产品质量特性依产品的特点而异,表现的参数和指标也多种多样,反映用户使用需要的质量特性归纳起来一般有六个方面:即性能、寿命(耐用性)、可靠性与维修性、安全性、适用性和经济性。

而产品的可靠性定义包括下列四要素:

1)规定的时间;

2)规定的环境和使用条件;

3)规定的任务和功能;

4)具体的可靠性指标。

异同

从质量的内涵可知,质量问题是产品某些或某项特性不满足要求,由设计、制造和管理等综合因素导致。可靠性问题指的是产品在规定条件下不能实现既定功能,问题产生的原因为产品失效或故障。

可靠性问题是产品的功能失效,基于产品故障而产生。通过统计试验可知,故障的产生期可划分为3个阶段,即早期故障阶段、偶然故障阶段和耗损故障阶段。对于含有很多器件的产品,3个阶段都会存在;有些产品则只含有部分阶段,如软件产品就没有耗损阶段。

可靠性与质量的共同特点是,二者研究的问题是所有产品的共性。每种产品都要求满足固有特性,同时也不能丧失规定的功能。

质量问题是产品某些固有特性不能满足要求,可靠性问题是指产品是否失效。可靠性本身是产品的固有特性,产品在规定的时间、条件下能够实现既定功能,即为满足要求;满足要求则说明该产品具备所需能力,即产品质量合格 - 此时不存在可靠性方面的质量问题。当产品的可靠性不能满足要求时,可靠性问题则被视为质量问题。

相互关系

质量问题和可靠性问题之间,在一定程度上存在着交叉关系。从时间段上看,可靠性问题与质量问题常常出现在不同阶段。研制生产中的产品如果存在问题(生产、制造、试验中的不满足要求),则多为质量问题;但如果产品可靠性设计不合理,产品交付验收时(如进行鉴定试验)可能发生故障,不满足设计要求。因此可知,质量问题与可靠性问题二者相互影响。

提高产品可靠性的有效手段之一是采用高质量等级的元器件,即运用质量控制、质量保证的方法提高可靠性。反之,很多试验为确保成功而采用加强筛选的措施,即采用可靠性的方法保证质量。由此也不难看出,可靠性与质量相互补充[3]。

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可靠性与使用寿命之间的关系

毫无疑问,设备的可靠性可以提高其运行寿命。另外,也可以根据用户对设备使用寿命的要求(如API泵至少为20年,第三代核电站重要用泵至少为60年)来确定其可靠性。

从事石化泵工作的人们都知道:API泵最大的特点是高可靠性、长寿命、安装维护方便。

API610标准所涉及的内容基本来自于良好的工程验证和操作实践,API泵永远将安全可靠性放在第一位,如:

最好具有稳定的流量-扬程曲线,如果规定是并联运行,则曲线上的扬程上升量至少应当是额定流量点扬程的10%;

对于单级扬程超过200米和单级功率超过225kW的高能泵,要求叶轮叶片与蜗壳或导叶之间必须具有足够的间隙,以减小叶轮叶片通过频率振动和小流量时的低频振动;

压力泵壳在最坏组合情况下,要求做到运转无泄漏或旋转部件与静止部件之间无接触,并经得住水压试验,同时还得预留至少3mm的腐蚀余量;

轴的全长进行机械加工并进行抛光,使总跳动不大于25 μm,同时轴的刚度应当限定在主要密封面处轴的总挠度小于50μm;

叶轮、平衡鼓及类似的主要转运部件应当进行到ISO1940-1 G2.5级的动平衡;动/静零部件应当具有至少50的布氏硬度差,除非静止和旋转的耐磨表面都具有至少400的布氏硬度;

为了保证任何工况下动/静部件均不易发生咬合,加大口环间隙;API泵应配置API682标准中规定的集装式机械密封;

如果能量强度(即泵额定功率kW和额定转速r/min的乘积)为4百万或更大,则必须使用流体动压径向轴承和推力轴承等等。

可靠性越高,使用寿命越长。

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可靠性与效率之间的关系

可靠性与效率是一对紧密相关而又相互矛盾的技术经济指标。有人曾对不同效率的两种超临界600MW机组50%容量的给水泵作过效率与可靠性的研究,得出如图1的曲线[4]。


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图1 – 不同效率两种泵大修周期的比较

除了水力设计以外,影响离心泵效率的最主要因素是内部泄漏,如耐磨环间隙的大小。

如果我们正在研制一台多级离心泵,那么我们可以通过选择较高的比转速设计来提高泵的效率。为此就需要较低单级扬程,增加叶轮级数,采用较长的轴跨距,这样在运转时又会使轴产生较大的挠度 – 除非我们选择相反的办法和采用较大的间隙,但又降低了泵的可靠性。

在实际工程应用中,这种案例很多。


案例1:


API泵以高可靠性而著称,然而,API泵高可靠性是以牺牲部分效率为代价的,具体体现在:


1)对于如OH2和OH3型泵,API610第11版标准要求采用刚性轴设计,特别增加了附录K.1并给出了轴刚性的判定原则。同时,为了提高可靠性,该标准还提出了轴承系统寿命的概念。


2)另外,为了提高可靠性,API610标准允许加大耐磨环间隙。这一点在API泵的工程实践中已得到普遍采用。


这些提高可靠性的办法,无疑会降低泵的效率。


案例2:


某电厂2x350 MW机组50%容量的汽动给水泵,参数为Q=667 m3/h,H=2300 m,n=5400 rpm,η=85.3 %(热态)。该泵的效率指标是高水平的,完全反映了高效率设计的特点。


在运行一年多的时间内两台350 MW机组各有一台汽动给水泵先后发生重大事故。泵的推力轴承烧毁,平衡机构和叶轮耐磨环磨损或咬死引起轴弯曲。上海水泵厂从提高可靠性出发为该泵修改了转子的局部设计、更换了轴材,提供了两根泵轴和修改设计中需要的零件,精心做了转动部件的动平衡并派员到现场指导组装。


泵修复后,两台泵的振动水平均小于0.02 mm,比原装进口泵减少了一半。效率和可靠性之间的关系在这个实例中得到了充分的说明[4]。


可靠性越高,泵的效率越低。

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临界转速与可靠性之间的关系

在临界转速下,转子对于不平衡比任何其它转速时更敏感。与其它类型的旋转设备相比,泵转子动力学涉及到更多的设计变量,了解临界转速的目的在于让离心泵的工作转速避开临界转速,从而避免引起共振。

泵的临界转速取决于轴的横向刚度系数和圆盘的质量,而与偏心距无关。更具体的说,临界转速的大小与轴的材料、结构、粗细、叶轮质量及位置、耐磨环的间隙及表面型式、轴的支承方式等因素有关。临界转速还与轴所受到的轴向力的大小和方向有关,当轴向力为拉力时,临界转速提高,而当轴向力为压力时,临界转速则降低。

由于转子在各种振型下有一系列固有频率,因而也有相应的一系列临界转速,由低及高依次称为一阶临界转速、二阶临界转速……等等。不过,通常只有一阶临界转速和二阶临界临界转速与离心泵的实际应用相关。离心泵的额定工作转速或者低于转子的一阶临界转速,或者介于一阶临界转速与二阶临界转速之间。在传统意义上,将前者称作刚性轴,后者称作柔性轴。

由于材料及热处理工艺等基础性研究一直是我国的一个短板,严重制约了制造业的发展。因此,实际工程应用中,对于那些可靠性要求高的重要场合、关键用泵,均要求采用刚性轴。

然而,即使采用了刚性轴,在实际工程招标过程中,工程公司/设计院/用户还是不太放心 - 为了防止泵运转过程中发生共振,希望一阶临界转速与泵额定转速差距越大越好(如早期核电站招标文件中要求“泵组轴系在水中的第一临界转速应高于其额定工况点对应转速的125%”,后来要求高于其额定工况点对应转速的135%、甚至要求达到150%),从技术上来说是没有问题的。

但是,却忽略了临界转速对离心泵性能的影响(与泵的能效要求相矛盾)。在同等条件下,临界转速越高,轴系越粗,意味着泵的效率越低。为此,应根据不同的泵型及不同的使用工况,合理确定临界转速与泵的额定转速之间的比值。

如果既要满足第一临界转速高于其额定工况点对应转速的150%,又要满足能效标准要求,最有效的办法是动/静零部件之间设计成具有极小的间隙,以便降低泵的内部泄漏。但是这种强制结构对于提高泵的可靠性是极为不利的方法。

在同等条件下,临界转速越高,泵的可靠性越高,而效率却越低。

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可靠性与产品生命周期成本之间的关系

大概从上世纪80年代开始,很多发达国家在设备采购和工程招标中便开始引用产品“生命周期成本”的概念,并作为一项必不可少的评标内容。

LCC是指产品整个“生命周期”内的所有成本,将产品寿命与其性能、可靠性、可生产性、可维护性以及质量和成本等综合考虑。

LCC管理源起于美国军方,最初主要用于军事物资的研发和采购,适用于产品使用周期长、材料损耗量大、维护费用高的产品领域。1999年6月,美国总统克林顿签署政府命令,各州所需的装备和工程项目,要求必须有LCC报告,没有LCC估算、评价,一律不准签约。

LCC自上个世纪 80 年代初期引入我国。当时,我国的 LCC 工作由海军起头,空军、二炮都积极推广运用,并于1993 年、1998 年分别颁布实施了国军标“装备费用 - 效能分析”,军队使用标准“武器装备寿命周期费用估算”,在军事装备的论证与审核中,将把 LCC作为一项必不可少的内容。

2001年1月HI(美国水力协会)、Europump(欧洲泵业组织)、OIT(美国能源部工业技术办公室)联合出版了“Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems”,以指南的方式将LCC推荐到泵行业。指南中详细列出了LCC费用的组成和说明,并提供了部分费用的计算方法。对于高利用率、长寿命的泵,其最初的购买价格仅占LCC的一小部分。图2给出了一台中型工业泵典型的生命周期成本的大概构成。

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图2 - 一台中型工业泵典型的LCC图

API 610标准适用范围中明确:相关行业的运行经验表明,当超过以下任何一种条件时,按本国际标准生产的泵,生命周期成本最低:出口表压19 bar,入口表压5 bar;泵送温度150 ℃;转速3600 r/min;额定扬程120 m;悬臂泵叶轮直径330 mm。

对于高利用率、长寿命的离心泵(如API泵、火电厂及核电站重要用泵)来说,可靠性越高, LCC越低。

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总结

质量与可靠性二者相互影响,相互补充。

如果将价格和效率当作硬币的两个面来看待,那么可靠性可以看作硬币的第三面。

可靠性越高,泵使用寿命越长。

可靠性越高,泵的效率越低。

临界转速越高,泵的可靠性越高,而效率却越低。

对于高利用率、长寿命的离心泵来说,可靠性越高, LCC越低。


参考文献

[1] ANSI/API STANDAED 610 'Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries', ELEVENTH EDITION, SEPTEMBER 2010; ISO 13709: 2009 (Identical)

[2] Igor J. Karassik,可靠性 – 硬币的第三面,《泵的故障预测和可靠性译文集》,沈阳水泵研究所/机械工业水泵科技情报网

[3] 亿博检测认证,浅谈可靠性与质量的关系,sohu.com,2019-08-13

[4] 黄经国,大型锅炉给水泵的可靠性设计,水泵技术,1992.1,32-37


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