華北油田第三采油廠的第一聯(lián)合站承擔(dān)著原油脫水脫沙后外輸?shù)裙ぷ?原油外輸泵是關(guān)鍵設(shè)備之一。外輸泵的型號是DYA25-50×4,機械密封經(jīng)常損壞,維修頻繁,影響生產(chǎn)。
1 原因分析[1]
對原油外輸泵機械密封進行拆解,發(fā)現(xiàn)機械密封的主要破壞形式是過度磨損。機械密封摩擦副采用的材料是浸樹脂碳石墨(動環(huán))和耐蝕鎳鑄鐵(靜環(huán)),其中浸樹脂碳石墨環(huán)的磨損量超過3mm。碳石墨環(huán)的磨損嚴重,但是比較均勻,說明泵軸運行中不存在過量變形,造成機械密封過度磨損的可能原因是制造和安裝不良等造成的振動。
在原油外輸泵的裝配過程中,微小的安裝誤差難以避免,振動也必然存在。為了減少振動對機械密封的性能和壽命上的影響,有必要進行振動分析,提出針對性的解決辦法。
2 研究方法
為了找到振動原因,本文應(yīng)用solidworks建立了外輸泵的3D模型,并通過有限元分析軟件simulation進行了振動分析。
2.1 模型的建立
振動分析的主體是外輸泵,外輸泵與電機通過聯(lián)軸器連接,并通過地腳螺栓與水泥基座連接。他們之間存在連接關(guān)系,因此要分別建立三者的模型,進行分析。
2.2 分析過程
(1)定義頻率算例。頻率分析用于計算共振頻率以及對應(yīng)的模式形狀。模式形狀可以說明振動發(fā)生時,系統(tǒng)各不同位置的振動變形,反映出振動對不同位置的影響大小。
(2)定義各零部件材料：基座材料定義為標號32.5的水泥,泵軸定義為40Cr,泵體定義為鑄鐵,其他零件分別定義為鑄鐵和低合金鋼等材料。
(3)定義連接方式：認為螺栓連接良好,因此螺栓連接被定義成剛性連接。外輸泵與基座接觸面剛性連接,電機與基座接觸面剛性連接,聯(lián)軸器的兩聯(lián)軸節(jié)采用剛性接頭,基座底面固定。
(4)網(wǎng)格劃分：外輸泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,難以進行結(jié)構(gòu)劃網(wǎng)格,因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格最大尺寸25mm,在細小結(jié)構(gòu)中自動過渡,雅克比點數(shù)定義為4。
(5)運行分析。
2.3 分析結(jié)果
系統(tǒng)自振頻率是158Hz,在泵的啟動階段會經(jīng)過這一振動頻率,只是時間很短不會形成共振。正常運行階段的振動主要是泵的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引發(fā)的振動。
圖中顏色越深表示振幅越大,可以看到振動最大的區(qū)域是泵的兩端及進出口。這些區(qū)域同時也是結(jié)構(gòu)中剛度最低的區(qū)域,說明剛度是影響系統(tǒng)局部振幅的主要因素。而機械密封及軸承的安裝位置處在這些區(qū)域,使振動對機械密封及軸承的壽命造成更大的影響。
3 解決辦法
從分析中可以看到,原油外輸泵的系統(tǒng)中,整體的振幅不是完全一樣的,泵兩端可以視為在系統(tǒng)振動上存在的局部振動。系統(tǒng)剛度是影響局部振動振幅的主要因素,因此解決辦法從提高系統(tǒng)剛度和增加機械密封耐磨性等方面入手。
(1)增加地基重量,是增加系統(tǒng)重量的最直接辦法,而系統(tǒng)重量的增加能夠有效降低振動幅度。
(2)在泵的設(shè)計中,在其他條件允許的情況下,縮短軸承座和密封函體的軸向尺寸;增加主軸剛度,適當增加軸徑或者采用強度、剛度更大的材料。這些措施可以增加泵的剛度,減小泵的局部振動。
(3)更換機械密封摩擦副材料[2]?，F(xiàn)在采用的機械密封摩擦副材料是浸樹脂碳石墨和耐蝕鎳鑄鐵,磨損系數(shù)為10-6。如果采用浸青銅碳石墨和碳化鎢摩擦副,磨損系數(shù)為10-8,可以大大降低磨損量。
參考文獻
[1]盧慧春.油田輸油離心泵振動致使機械密封失效的解決措施[J].機械研究與應(yīng)用,2005(4):51～53.
[2]郝木明.機械密封技術(shù)及應(yīng)用[M].北京,中國石化出版社,2010.
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