如何打造高可靠性离心泵
摘 要：结合标准规范及工程实践经验，从水力设计与结构设计、产品加工制造与装配、到配套件的选型与设计、再到产品的现场安装与应用，就“如何打造出高可靠性离心泵”给出较系统、全面的建议，希望能对同行们有所帮助。
关键词：离心泵 可靠性 设计 应用
0 背景
随着社会的发展、科技的进步，人们对健康、环保、安全等方面的要求越来越高。作为通用机械的离心泵、特别是重要工况离心泵（如核电站、火电厂、石化等关键用泵）的各项指标也越来越受到人们的关注，其中最关键的一个指标是产品的可靠性。
这可以从近些年来的一些大型项目招标文件中得到具体体现。
在很多关键泵的技术规格书中通常都有这样的要求，如：投标方应提供高质量的设备，这些设备应是成熟可靠、技术先进的产品；……应保证泵具有较高的运行效率和可靠性；投标方提供的设备应为全新的、先进的、成熟的、完整的和安全可靠的……
何谓产品的可靠性？影响产品可靠性的因素有哪些？文章将结合相关标准、规范及工程实践经验，从设计、加工制造与装配、配套件的选型及产品的现场安装与应用，就如何打造出高可靠性离心泵给出较系统、全面的建议，仅供同行们参考。
1 名词及术语
1.1 冗余（redundancy）
产品中具有多余一种手段（即人为增加重复部分）执行同一种规定功能，称为冗余。其目的是用来对原本单一部分进行备份，以提高系统的可靠性。
1.2 最小连续稳定流量（minimum continuous stable flow）
API610标准[1]定义为：在不超过本国际标准规定的振动限值的情况下泵能够工作的最小流量。
1.3 吸入能量（suction energy，SE）
吸入能量是离心泵叶轮入口处液体动量的量度，其定义是：叶轮入口直径、泵转速、吸入比转速和泵送介质比重之间的乘积。
对于端吸泵，SE值大于等于160 × 106（rpm-gpm-ft）时定义为高SE；对于剖分式泵和径向入口泵，SE值大于等于120 × 106（rpm-gpm-ft）时定义为高SE。而当SE值大于等于1.5倍高SE值时称为很高SE。
1.4 状态监测系统（condition monitoring systems，CMS）
一种测量指定机器过程参数和预测趋势的系统。提供报警、显示和分析工具，用于检测和识别发展中的故障。
2 可靠性及其影响因素
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，泵只能在一定的时间范围内达到可靠性目标值。
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、产品加工制造及装配、配套件选型及设计和现场安装应用。可以进一步细分为：
2.1 泵本体设计
1） 执行标准
2） 水力设计
3） 结构设计
2.2 产品加工制造及装配
1） 加工制造
2） 装配
2.3 泵配套件选型及设计
1） 轴承选型及润滑
2） 机械密封及系统
2.4 现场安装应用
1） 现场安装
2） 现场调试
3） 现场运行
3 执行标准
我国离心泵行业执行的标准较多较杂，有国内标准（如国家标准GB、机械工业部标准JB及企业标准）、国外标准（如欧盟标准EN、德国标准DIN、日本工业标准JIS、美国国家标准协会标准ANSI、美国石油协会标准API等）和国际标准（ISO）。
不同标准对泵的要求各不相同，特别是可靠性方面相差非常大。
总体来说，API610标准要求最高 - 从水力设计到结构设计再到配套零部件的选型与设计，都有严格要求，且该标准所涉及的内容基本来自于良好的工程验证和运行实践，执行该标准的产品具有高可靠性、长寿命、可操作性强和安装维护方便等突出优点，因此，目前已被广泛应用于国内外重要工况、关键场合的设备中。
文章将主要结合ANSI/API610第11版标准（以下简称“标准”）中的相关条款要求及实际工程经验，就如何提高离心泵可靠性问题给出较系统、全面的建议，希望对同行们有所帮助。
注：本文中所涉及的条款、表及图号均指ANSI/API610第11版标准所对应的条款、表及图号。
4 水力设计
优秀的水力设计除了满足所需要的性能（流量、扬程、汽蚀）以外，还应满足高效、高可靠性要求。
4.1 条款6.1.8…在确定装置汽蚀余量时，买方和卖方应当弄清楚最小连续稳定流量与泵的吸入比转速之间的关系，一般来说，泵的最小连续稳定流量随着吸入比转速的增加而增加……，选择吸入比转速的大小及NPSH安全裕量时，应当考虑现有的工业水平和制造厂经验。
【解读】关于吸入比转速对离心泵运行可靠性的影响，国际同行具有非常丰富的工程应用经验，并给出了吸入比转速的最大限定值。其中，UOP 5-11-7规范[2]规定的吸入比转速的限定值在全球得到了广泛的认可和应用，其规定：泵的吸入比转速不得高于13000（m3/h,rpm, m）；当泵送介质为水或水含量超过50%的溶液，并且泵的单级叶轮功率超过75 kW时，吸入比转速不得高于11000 （m3/h, rpm,m）。
【建议1】随着科技的进步，由于出现了一些其它可改善离心泵吸入性能的设计手段，吸入比转速的限定值也随之相应提高。根据国际同行的实际工程使用经验，对于BB2型泵限定值通常控制在14400（m3/h, rpm, m）。具体可参见文献[3]。
【建议2】对于高能泵和高吸入能量泵，需要提供比常用标准规范中推荐的更大的NPSH裕量或裕量比，详细要求可参见文献[4]和[5]。
4.2 条款6.1.11 对于所有应用条件，泵最好具有稳定的流量-扬程曲线（即扬程曲线呈连续上升状直到关死点为止）。
【解读】应避免流量-扬程曲线出现驼峰而使泵出现一个不稳定的运行区间（即偏小流量运行工况），在该区间内运行时将导致振动和噪声的显著增加、可靠性下降。
【建议】对于已发货的实型泵应避免在不稳定运行区间（即偏小流量运行工况）内运行；对于新开发的产品，在设计过程中应采取适当的措施避免流量-扬程曲线出现驼峰。
4.3 条款6.1.15单级扬程超过200m和单级功率超过225kW的泵需要特殊措施来减小叶轮叶片通过频率振动和小流量时的低频振动。对于这些泵，导叶与叶轮叶片外圆周之间的径向间隙至少为最大叶轮叶尖半径的3%（对于导叶式泵）和最大叶轮叶片尖半径的6%（对于蜗壳式泵）。
【解读】此类泵称为高能泵。如果出现振动超标，上述间隙因素有可能是引起的主要原因。
在实际工程应用中，其实这种现象普遍存在于所有离心泵，国外将这种现象称为“叶片流道综合症”。当液体流经该小通道时，液体的流速增加引起液体压力的下降、局部汽化，产生汽泡，然后在较高的压力下破裂，导致汽蚀、引起泵的振动。
【建议】对于高能泵，叶轮叶片与蜗壳/导叶之间的间隙应不小于上述推荐值。
5 结构设计
影响可靠性的结构设计很多，如承压壳体、泵轴及底座的强度；结构件的受力及配合；轴向力的平衡方式；转子动力学问题等。
如何从设计入手来解决产品的可靠性问题？这里有一些指导性原则 [6]：
1） 尽量采用经过验证的成熟的技术。
2） 尽可能简化结构，减少零件数量。
3） 尽可能采用标准化、模块结构。
4） 设置故障监测和诊断装置。
5） 保证零件部设计裕度（安全系数）。
6） 必要时采用冗余设计。
7） 失效安全设计。
8） 安全寿命设计。保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。
9） 加强重要零部件的可靠性分析。FMEA（失效模式影响分析）和FTA（故障树分析）是可靠性分析中的重要手段。
10） 可靠性确认试验，在没有现成数据和可用的经验时，这是唯一的手段。
标准中与可靠性设计相关的条款较多，现摘录一些典型的条款进行解读。
5.1 ANSI/API610第11版标准增加了附录K.1关于OH2和OH3型悬臂式泵的轴刚性的判定原则。
图1显示了一个简易的悬臂泵转子，D等于机械密封轴套处的轴径（mm），L为叶轮出口中心线与径向轴承之间的跨距（mm），轴挠性系数ISF=L3/D4。
图2 - 悬臂泵轴挠性系数与尺寸因子的关系图（SI单位制）
图2为悬臂式泵轴挠性系数与其尺寸因子的关系图，图中给出了一条用于判别轴刚性的限制线即刚性线（采用国际单位制时，其由公式ISF, SI = 32 × Kt-0.76来定义）。
图中Kt为泵的“尺寸”因子，等于泵最大叶轮直径、最高效率点流量Q×总扬程H / 转速N（m3/h，m，r/min），与扭矩有关。从该图可以看出：较小的泵比大型泵具有更高的L3/D4。
【解读】API/ISO工作组回顾了来自一些用户关于轴刚性及被制造商广泛关注的轴挠性的纪录。轴挠性系数逐渐发展成为一个直接的判定工具，用于评估真正的API泵与贴着API标签但不符合API标准设计要求的泵[7]。
L3/D4是转子刚度的度量标准，并成为间接评估或比较负载下转子挠度的标准。
L3/D4越小，转子挠度越小，这有利于提高机械密封的可靠性。如果L3/D4太大，特别是在接近泵关死点位置运行、水力径向负荷过大的地方，泵轴可能会折断[8]。
【建议】关于L3/D4的使用原则是：对于某一尺寸因子的悬臂泵，如果其挠性系数位于刚性线之下，则表明该泵为刚性轴设计，满足API泵要求，是安全的；如果L3/D4的值超过刚性线20%，用户应该要求泵制造商为其设计的合理性负责，或者提供相同或相近工况的运行业绩。
5.2 条款9.2.4.1.1随着泵设计的不同，（BB型）多级泵和高转速泵的一阶或二阶湿横向临界转速可能会与工作转速相重合，特别是当内部间隙随着磨损而增大时。横向分析能够预测出何时可能发生这种重合，以及由此引起的振动是否可以接受……
【解读】标准对“横向临界转速”的定义是：转子-轴承-支撑系统处于共振状态时的轴转速。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，以免引起共振。
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、耐磨环处间隙及表面型式、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。
【建议】虽然标准中给定了是否需要做横向分析将根据表18中规定的流程来确定，但是实际工程应用中，对于一些重要场合高转速或调速型泵、特别是大型多级离心泵，不管用户是否有要求均需进行横向临界转速分析，而且通常要求一阶湿横向临界转速高于泵额定转速20 % 以上。另外，对于细长轴泵（如VS6），可以通过增加支撑的方式来提高轴子的刚性和临界转速。
6 产品加工制造
提高泵可靠性最简单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规范的零件。
影响零部件加工制造质量的因素主要包括：尺寸及公差（含铸造精度和加工精度）、跳动及挠度、零部件不平衡量等。
6.1 公差
对于一些重要尺寸，如轴向定位尺寸（影响转子轴向对中）和配合尺寸，通常直接在图纸上标有公差（包括尺寸公差和形位公差）范围，这些尺寸必须严格控制。
对于其它非重要尺寸，其允许的公差要求通常按相关标准执行。
6.2 跳动及挠度
条款6.6.9应沿轴的全长进行机械加工并进行抛光，使总指示器跳动（TIR）不大于25 μm。
【解读】限制轴的跳动的主要目的是避免泵运行过程中振动超标、而严重影响到轴承和机械密封的使用寿命。
【建议】可通过提高轴的刚度来达到标准要求。
实际工程应用中，新轴的跳动值通常要求控制在0.02 mm以内。
对于泵轴最大允许跳动限定值，不同的泵公司、针对不同规格及不同结构的离心泵，在实际应用中各有不同 – 有的放宽到0.04 mm，有的放宽到0.05 mm。不管限定值大小如何，最终必须确保其在满足一定的可靠性基础上使设备及零部件的使用寿命达到合同要求。
条款6.9.1.3为得到良好的密封效果，在最严重的动态条件下，在泵的允许工作范围内（最大叶轮直径和在规定转速、规定的介质条件下），在主要密封面处，轴的刚度应当限定轴的总挠度小于50 μm。
【解读】限制轴的挠度的主要目的与限制轴的跳动一样，也是为了避免泵运行过程中可靠性降低，从而影响到机械密封的使用寿命。
【建议】也可通过提高轴的刚度来达到标准要求。对于蜗壳式泵，当泵的出口通径达到80 mm及以上时，可通过采用双蜗壳结构来平衡径向力，以避免主要密封面处轴的挠度超标。
6.3 零部件的平衡
条款6.9.4.1叶轮、平衡鼓及类似的主要旋转零部件应当进行到ISO 1940-1 G2.5级的动平衡...对具备过盈配合组件的BB1和BB2单级泵转子，卖方可以选择平衡转子部件而不是单独地平衡主要的旋转零件。
条款6.9.4.4如果有规定，叶轮、平衡鼓及类似的主要旋转零部件应当动平衡到ISO 1940-1 G1.0级……
【解读】转子不平衡是引起泵振动的一个非常重要的因素，转子最好作为一个整体来进行动平衡。但是，由于受到结构（如悬臂泵转子）及制造商试验能力的制约，有些转子无法进行整体动平衡试验，可以进行分体动平衡（如悬臂泵转子可以采用芯轴仅对叶轮进行动平衡）。ISO1940-1标准允许进行分体动平衡，但要求“每个部件的剩余不平衡度均小于整体部件的剩余不平衡度”。
注意：API610标准明确规定，平衡试验的转子不包括泵的半联轴器和机械密封旋转部件。
至于转子动平衡精度达到G1.0级的要求，使用现代平衡设备是完全可以做到的。但是由于与不平衡量相关的质量偏心距太小，当转子动平衡后，很多泵型的转子均需要经过拆卸、重新装配，质量偏心距将会发生变化，平衡精度等级无法得到保持。因此，对于动平衡精度等级要求，实际工程应用中国内外普遍按G2.5级执行，且经过几十年的运行验证，完全能满足泵的可靠性要求。
【建议】动平衡之前，应检查泵转子叶轮口环处的跳动，不应超过设计要求。
7 产品装配
对于一些重要用泵，通常仅允许经过专业培训的、合格的人员从事装配工作。同时，应根据良好的机械工程实践经验来进行装配。
产品的装配涉及到正确的安装、对中及紧固。对于一些较大型、卧式泵的转子，还涉及到抬轴的问题。在此不再赘述。
8 配套件选型及设计
离心泵本体主要配套件包括机械密封和轴承。它们对泵的运行可靠性有着重大的影响，也是离心泵最容易出现故障的部件。
8.1 机械密封
条款6.8.1泵应当配有API682标准[9]中规定的机械密封和密封系统。泵和密封接触面尺寸应按照本国际标准的表7和图26……
【解读】对于轴封型离心泵来说，机械密封及其系统属于本体上非常重要的部件，如果选型、使用不当，不仅直接影响到泵组的运行可靠性，而且对企业财产、员工的人身安全及环境带来威胁。API682标准给出了机械密封的选型步骤和密封冲洗方案的指导意见，该标准以实践经验为依据，特别强调灵活运用。
【建议】工程实践中，对于绝大多数常用工况，可以直接采用该标准推荐的机械密封结构及冲洗方案。对于一些特殊工况，可根据供应商的实际应用经验，选择更合适的机械密封结构及冲洗方案。
8.2 轴承
条款6.10.1.1每根轴均应由两个径向轴承和一个双作用的轴向（推力）轴承支承……轴承应该采用下列组合中的一种：
- 滚动径向轴承和滚动推力轴承；
- 流体动压径向轴承和滚动推力轴承；
- 流体动压径向轴承和推力轴承。
除非另有规定，轴承应按表10中规定的界限选用。表10关于轴承的选择：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。
【解读】标准规定离心泵轴承的配置方式分为三种，且当泵的能量强度大于等于4百万时，必须采用流体动压径向轴承和推力轴承。
【建议1】离心泵轴承的选择主要考虑以下因素：负荷（大小和方向）、转速、润滑和轴向位移。实际工程应用中，通常按两倍的实际最大负荷来选择轴承。对于一些特殊应用工况（如高吸入压力工况），轴承确定后，应对轴承使用寿命进行估算，以确定是否满足标准或合同要求。具体计算方式可参见相关轴承标准（如ISO 281）、轴承供应商手册（如SKF）或文献[10]。
【建议2】很多场合，离心泵既可采用流体动压轴承也可采用滚动轴承，从承载能力和使用寿命来说流体动压轴承具有明显的优势，但却无价格优势。在选型时，应综合考虑各种因素。对于普通流程泵，尽可能采用滚动轴承。
9 选型
当泵制造商收到买方的询价资料时，需要进行的第一项工作就是选型。合理的选型不仅有利于泵制造商提高中标概率、降低用户投资成本，而且直接影响到泵（组）是否能够长期、安全可靠运行。
每台离心泵都有一个特定的流量运行范围，也可以说，离心泵是为特定流量运行范围而设计的。当泵型合适且运行于最佳效率点（BEP）时，作用在叶轮上的径向力最小。这样可以使泵获得最高的效率和最小的振动。
如果泵偏离BEP运行，泵内部将出现受力不平衡，这种不平衡会导致泵轴发生偏移、轴承和机械密封过度负载、过度振动并产生过度的热量，所有这些都会显著降低泵的寿命，增加过早故障的可能性。由于大多数泵的运行条件是动态的，并且实际流量和压力要求会发生变化，因此确定泵的大小以使其在BEP或附近运行非常重要[11]。
影响离心泵选型的因素很多（如流量、扬程、温度、介质特性、入口压力、现场条件、执行标准、市场因素等），如何快速合理地选择离心泵是一个较复杂的过程，可参考文献[12]。
10 其它
影响泵运行可靠性的其它因素还有：不适当的（现场）安装、调试和运行。
10.1 现场安装对中
条款6.3.3压力泵壳应设计成：
a) 在同时承受最大允许工作压力（及最高工作温度）和表5中列出的作用到每个管口上两倍允许管口负荷的最坏组合情况下，做到运转无泄漏或旋转部件与静止部件之间无接触。
b) 经得住水压试验。
附录F条款F.1.1 （卧式泵）可以接受的管路配置不应引起泵和驱动机之间过度不对中。管路配置产生的管口载荷在表5规定的范围内时，泵壳体变形应限制在泵制造商设计标准的一半以内（见6.3.3），并确保泵轴的位移小于250 μm。
【解读】在泵运转过程中，旋转部件与静止部件之间出现接触摩擦是导致振动超标、可靠性下降的主要因素之一。因此，压力泵壳要有足够的强度 - 确保在泵运行过程中动、静零部件之间无接触。同时，在现场管路传递到泵接口上的负荷为表5的一倍值时，壳体的变形量不应超过动、静零部件之间总间隙值的一半。另外，在最坏组合情况下，要求泵底座的最大变形量（导致泵轴的径向位移）不超过250 μm。
【建议】对于一些重要场合用泵，应考虑到现场可能存在的最大接管载荷（往往达到表5中列出的允许管口负荷的2.5~4倍，甚至更大），并以此来核算压力泵壳及底座的强度，避免过量变形、导致动/静零部件之间发生摩擦或泵与驱动机之间过度不对中，引起振动和泵可靠性降低。
良好的对中可以大大提高泵组的使用寿命。泵组对中时需要注意的事项：
1） 对中基准。标准规定：泵脚的下面（泵脚与底座之间）不允许使用垫片。也就是说API泵（组）要求以泵为基准进行对中，并且规定了驱动机组件（如电动机+齿轮箱）下面所使用垫片的具体要求。
实际工程应用中，对于一些大型机组，由于驱动机往往远重于泵（如带有增速或变速设备的百万机组核电站常规岛主给水泵组），通常以驱动机为基准进行对中。
2） 热膨胀影响。运行过程中，泵送高温介质和泵组部件温度的上升均会引起联轴器安装盘在不同方向上的热位移（热膨胀）。因此，对于一些大型、热态复杂的泵组（如上述的主给水泵组），在冷态下进行联轴器对中时，必须对此热位移进行补偿。
10.2 调试
正如上文所说的：每台离心泵都有一个特定的流量运行范围，一旦超出该流量运行范围（如低于最小连续稳定流量），将会引起内部回流、汽蚀、额外的径向力（特别是单蜗壳泵）及液体温度的升高等，从而引发机械振动和噪音的显著增加，轻则大大降低机械密封和轴承的寿命，重则发生断轴、进而导致整个转子及其配合零部件的严重损坏。
实际工程应用中，不少用户习惯性采用低负荷调试，使泵较长时间内处于最小连续稳定流量附近运行；或者在产品调试期间由于对设备运行维护手册未充分理解，认为离心泵可以在任何工况（包括最小连续稳定流量以下、甚至零流量）下都能较长时间运行；
再或者因为产品处于“质保期内”，极少数用户为了防止正常运行时出现误操作，而在调试阶段有意尝试在某些禁止工况下运行。对于离心泵来说，在最小连续稳定流量以下运行属于破坏性运行工况，必须避免或禁止。
10.3 运行
由于缺乏经验，不少买方/工程公司/用户很难准确地计算出系统阻力，但为了确保性能满足使用要求，从买方到设计方再到泵制造商，不得不层层增加（性能）安全余量，从而导致离心泵的选型不合理（泵型偏大），始终偏小工况运行。这给用户带来一系列的问题：效率低下、可靠性降低、机械故障频繁、运行和维护成本不断攀升。
【建议】实际工程应用中，出现泵选型偏大的情况比较常见。最佳的处理措施及建议是：尽快与泵制造商联系，更换新的、满足现场实际性能的水力零件 – 叶轮。
10.4 现有产品提高可靠性的手段
随着科技的不断进步，数字化或数字化转型已经成为企业发展的必然趋势。对于离心泵行业来说，面临的最现实的难题是：如何使你的泵适应未来？同时业主和运营商还想知道：如何使用数字化方法改进围绕泵维修和服务的流程以及如何使泵智能化（并提高运行可靠性）？有没有一种方法可以在不产生重大费用的情况下启动该流程？
答案是明确的：有，即对离心泵提供“状态监测”。状态监测不仅可以适时地监测泵的运行参数，而且还可以根据运行参数的变化进行趋势预测 – 确定泵的运行状态，并预测出机械零部件的使用寿命、故障可能发生的时间，以便在预期或规定的期限内对问题进行纠正。
如德国KSB公司于2018年底首次推出了一款被称为“KSB Guard”的监测装置，解决了这些问题，如今该监测装置已经被多家大型国际制造商采用。这种KSB Guard的监测设备，即使在运行期间也可以将现有泵转化到数字世界。
该监测设备结构紧凑，包括三个组件：传感器单元、变送器和电池单元、网关。借助KSB Guard，每一台泵都可以快速、轻松地集成到工业物联网（IIoT）中。整个安装和调试过程既快捷又高效，很容易将现有的泵变成智能泵，并使工厂和泵适应未来[13]。
11 总结
影响离心泵运行可靠性的因素主要包括泵本体设计、产品加工制造及装配、配套件选型及设计和现场安装应用，只有管控好每个环节的质量，才能打造出高可靠性的产品。
