Diagnóstico e tratamento de falhas na tubulação da bomba

O hidrocraqueamento de 800,000 t/a de uma determinada empresa é um dispositivo de processamento profundo de refino de petróleo produzido internamente. O dispositivo possui duas grandes bombas de alimentação de alta pressão (uma das quais é sobressalente) para elevar o óleo bruto (óleo de cera) da pressão de entrada de 0,15 MPa até a pressão de saída de cerca de 10 MPa e entrar no sistema de reação de hidrogenação para reação . Entre as duas bombas multiestágios de alta pressão, uma é a bomba A, impulsor de 7-estágio, vazão projetada de 126,8m3/min, altura manométrica de 2.254 m, velocidade de 5.000 r/min; a outra é a bomba B, 5-impulsor de estágio, diâmetro do impulsor 293mm, número da lâmina do impulsor Zl=6, número da lâmina da palheta guia Z2=9, vazão projetada 126,8m3/h, altura manométrica 2256m, velocidade 5814r/min. As duas bombas são basicamente dispostas simetricamente, e cada uma das tubulações de saída passa pelo medidor de vazão de orifício, válvula de retenção, válvula manual e válvula reguladora elétrica, e então se fundem no espaço e, em seguida, entram no sistema de reação através de uma linha principal muito longa e grupo de válvulas. O layout da tubulação é mostrado na Figura 1. O comprimento total da tubulação desde a saída da bomba até o reator é de 140m. Após a instalação da bomba B, a tubulação e o sistema de válvulas sofreram grande vibração desde o primeiro teste de carga. Como o óleo de cera transportado pela bomba é um material inflamável, uma vez que o sistema de dutos vibre e rache, as consequências serão muito graves. Portanto, é muito importante resolver o problema de vibração do sistema de tubulação quando a bomba B está funcionando para garantir a produção segura do dispositivo.

 

Para diagnosticar o problema de vibração do sistema de tubulação na operação da bomba B, as duas bombas foram testadas e comparadas. Quando a bomba A estava funcionando, a vibração do corpo da bomba e da tubulação era muito pequena, o valor de indicação do manômetro de saída da bomba era de 18,8 MPa, a oscilação do ponteiro do manômetro não era óbvia e o ponteiro do medidor de vazão tinha apenas um ligeiro balanço. Após a mudança para a bomba B, a tubulação de descarga apresentou uma grande vibração, independentemente da condição de baixa vazão ou operação em plena carga. O deslocamento de vibração na válvula elétrica foi de 0,8 mm, o deslocamento de vibração na cauda da tubulação atingiu 1 mm e o valor da velocidade de vibração foi de até 10,3 mm/s. O desempenho da vibração era intermitente. Observe a pressão e a vazão, o manômetro de saída indicou 18,3 MPa, a amplitude de oscilação do ponteiro foi 0.5-1 MPa e a amplitude de oscilação do ponteiro do manômetro da tubulação de sucção foi de 0,4 Mpa; o medidor de vazão indicou 100t/h e a amplitude de oscilação do ponteiro atingiu 6-10t/h. A pressão do sistema do reator foi reduzida em 1MPa e a vibração do sistema de tubulação foi observada. A pressão de saída da bomba e a pulsação do fluxo eram iguais às condições normais de operação e a vibração do sistema de tubulação não melhorou.

 

 

1. Válvula elétrica; 2. Válvula manual; 3. Válvula de retenção; 4. Medidor de vazão de orifício; 5. gasoduto de pequeno fluxo; 6. Bomba A; 7. Bomba B; 8. sistema de reator

 

A fim de explorar a causa da vibração no sistema de tubulação, foram realizados testes de sinal de vibração na válvula unidirecional, na válvula reguladora elétrica, na cauda da tubulação e no corpo da bomba com grande vibração. Além disso, a partir da grande oscilação do ponteiro do manômetro e do medidor de vazão e dos sinais irregulares e instáveis ​​do som do fluido na tubulação escutados com um bastão de escuta, sentiu-se que poderia haver uma grande pulsação de pressão no fluido em a bomba e a tubulação, então o sensor de pressão foi usado para medir diretamente a pulsação de pressão na tubulação. O sinal foi gravado com um gravador e um dispositivo de aquisição de dados e, em seguida, foram realizadas análises de forma de onda e análise de frequência em um analisador de frequência. O espectro de vibração do mancal do lado do motor do corpo da bomba é mostrado na Figura 2, onde os componentes de frequência com maior amplitude A são a frequência de potência da bomba (97Hz) e a frequência de velocidade do motor (50Hz, 100Hz) .

 

 

A Figura 3 mostra o espectro de vibração do mancal na saída da bomba. Os componentes com maiores amplitudes na figura são as frequências de passagem fz1 (582Hz) e 2fz1 (1160Hz) das pás da bomba. O corpo da bomba não vibra muito devido à sua boa rigidez de suporte e a amplitude da frequência de passagem da carcaça do mancal é de 2,56 mm/s. A válvula unidirecional e a válvula elétrica vibram muito, e a forma de onda e o espectro de seus sinais de vibração são mostrados na Figura 4. A frequência de vibração principal de 9 Hz na figura é a frequência de autooscilação da válvula unidirecional e do sistema de grupo de válvulas elétricas. Devido ao impacto intermitente do fluido, a amplitude da forma de onda de vibração A é às vezes alta e às vezes baixa, o que é semelhante à forma de "batida".

 

 

A cauda da tubulação é a parte com maior vibração. Ele está conectado ao gasoduto principal e não pode ser sustentado pelo espaço. Portanto, sob a ação da força de excitação do fluido, a vibração é muito grande. A Figura 5 mostra a forma de onda de vibração e o espectro da cauda da tubulação. A principal frequência de vibração na figura é 7Hz. Quando a pulsação da pressão do fluido impacta intermitentemente a cauda do tubo, a amplitude do componente de frequência em torno de 7 Hz no espectro da cauda do tubo aumenta repentinamente. Pode-se ver na forma de onda no domínio do tempo que a onda de alta frequência flutua para cima e para baixo, e a frequência da flutuação periódica é de 7 Hz. Após simulação computacional e cálculo usando o método dos elementos finitos, o componente de 7 Hz é a frequência natural de uma determinada ordem do sistema de tubulação, e o componente de alta frequência sobreposto pode ser a frequência natural da válvula na cauda do tubo.

 

Para descobrir se a vibração do sistema de tubulação é causada pela pulsação de pressão do fluido, um sensor de pressão é usado para testar e analisar diretamente a pulsação de pressão do fluido na tubulação. A magnitude da pulsação da pressão do fluido pode ser expressa pela irregularidade de pressão δ:

 

A Figura 6 é o sinal no domínio do tempo da pulsação de pressão. A onda de alta frequência na figura flutua para cima e para baixo, e a frequência da flutuação é de 7 Hz, que é a frequência natural do sistema de tubulação. O valor máximo da amplitude de flutuação △P=Pmax-Pmin=147mV~176mV, o componente DC da pressão média P0=5,5V e a irregularidade de pressão δ{{9 }}.027~0.032. Observe a oscilação do ponteiro do manômetro de saída da bomba. A uma pressão média de 18,3 MPa, a oscilação do ponteiro é de 0,5 ~ 1 MPa, e a irregularidade da pulsação de pressão exibida é igual ao resultado obtido na Figura 6.

 

O valor de irregularidade da pulsação de pressão medido acima é obviamente muito grande. Embora não exista um padrão para bombas centrífugas na China, a irregularidade da pulsação de pressão do tubo de descarga é geralmente limitada a δ{{0}}.02~0,04 com referência a compressores alternativos. A bomba está atualmente transportando líquido incompressível e seu valor está próximo do valor máximo permitido especificado pelo sistema de tubulação do compressor, o que obviamente não é permitido. É uma irregularidade de alta pressão δ que causa grande vibração na tubulação. Quando a irregularidade de pressão δ=0.027 e a pressão média P0=18.3MPa, a amplitude da pulsação de pressão (a amplitude máxima desviando-se da pressão média) é:

Quando esta amplitude de pulsação encontra um cotovelo em ângulo reto, a força de impacto do fluxo de líquido na parede do tubo na curva é mostrada na Figura 7. A força estática resultante do fluido no cotovelo é:

O diâmetro interno do tubo é 132 mm. Quando o fluido pulsa, a amplitude de impacto da pressão pulsante no cotovelo é:

 

Uma força de 4777N é aplicada em cada curva do tubo, o que inevitavelmente causará grande vibração no tubo. Além disso, quando o fluido encontra uma contração transversal, como uma válvula ou um redutor, também será gerada uma grande força de impacto do fluido. A pulsação da pressão do fluido causará alterações de pulsação na taxa de fluxo no tubo. A Figura 8 é um gráfico de mudança de pulsação obtido enviando o sinal de pulsação de pressão e o sinal de saída do medidor de vazão para o computador e amostrando ao mesmo tempo. Na figura, Q é a saída total do fluxo da saída da bomba, Q1 é parte do fluxo que entra no sistema de reação e a outra parte do fluxo menor retorna para o equipamento frontal da bomba. Como pode ser visto na figura, a lei da pulsação da pressão e das mudanças na pulsação do fluxo é consistente. Quando a onda de pressão atinge seu pico, o fluido na tubulação acelera, causando um aumento instantâneo na vazão; quando a onda de pressão cai instantaneamente, o fluido no tubo desacelera e o fluxo cai instantaneamente. Na figura, a distância relativa entre o ponto de medição de vazão Q e o ponto de medição de pressão é relativamente próxima e a consistência das mudanças entre os dois é boa. O ponto de medição Q1 está no final do sistema de tubulação. Por um lado, está longe do ponto de medição de pressão e, por outro lado, também é afetado pelo fluxo da pequena tubulação de fluxo. Portanto, a consistência das mudanças de pulsação dos medidores de vazão dianteiro e traseiro é ruim. As mudanças pulsantes de pressão e vazão mencionadas acima impactarão a tubulação e causarão grande vibração no sistema de tubulação.

Para explorar a razão pela qual a bomba gera pulsação de pressão, o sinal de pulsação de pressão coletado é submetido à análise de frequência e seu espectro é mostrado na Figura 9. Três componentes principais de frequência aparecem frequentemente na figura: (1) O {{2 }} O componente de frequência Hz é frequentemente o componente principal com o maior valor de pico. Conforme mencionado acima, esta é a frequência natural do sistema de tubulação. (2) A componente de frequência de 291 Hz é 3 vezes a frequência da velocidade da bomba. O número de pás do impulsor da bomba é Z1=6 e o número de pás da palheta guia é Z2=9. O máximo divisor comum das duas lâminas produz esta frequência de pulsação. (3) A componente de frequência de 680 Hz é 7 vezes a frequência da velocidade da bomba. Esta componente de frequência parece estar relacionada com o efeito combinado da frequência de potência da bomba e da frequência natural do sistema de tubagem.

 

Com base na comparação das condições de funcionamento dos testes das duas bombas e nos resultados dos testes e análises de vibração da tubulação e pulsação de pressão, são apresentadas as seguintes opiniões de diagnóstico:

(1) A fonte de excitação da vibração da tubulação vem da bomba B, não do problema de projeto da tubulação, porque quando a bomba A, que está basicamente disposta simetricamente, está funcionando, nem o tubo de sucção nem o tubo de descarga vibram. Quando a bomba B está funcionando, não apenas a tubulação de descarga vibra violentamente, mas também a tubulação de sucção das bombas A e B conectadas em paralelo tem uma grande amplitude. Obviamente, esta não é a transmissão de vibração mecânica, mas o resultado da transmissão da pulsação da pressão do fluido.

(2) A pulsação da pressão do fluido é a causa direta da vibração da tubulação. Devido à pulsação de pressão, o impacto do fluido é gerado em cada curva e mudança de seção transversal de uma tubulação muito longa, e a força de impacto excita a frequência natural da tubulação e da válvula. Na cauda do gasoduto, as frequências naturais de baixa frequência de cerca de 1 Hz e 5 ~ 10 Hz são excitadas principalmente, e na válvula elétrica e na válvula de retenção, uma frequência natural de 9 Hz é excitada principalmente.

(3) A razão pela qual ocorre a pulsação da pressão do fluido quando a bomba B está funcionando está relacionada ao projeto da bomba. De acordo com as informações, para reduzir a força instável gerada na palheta guia da bomba de palhetas, o número de pás do impulsor Z1 e o número de pás guia Z2 devem ser primos entre si; ao mesmo tempo, para garantir que a amplitude da pulsação de pressão na frequência da lâmina seja minimizada, a condição de que Z1 e 2Z2 sejam primos entre si também deve ser atendida. Agora, Z1 e Z2 da bomba não são primos entre si, e Z1 e 2Z2 não são números primos. O máximo divisor comum de Z1 e Z2 é 3, portanto, um componente de frequência de 3X97=291Hz é gerado no sinal de pulsação de pressão. O divisor comum das pás e palhetas guia é 3, o que significa que existem 3 pás correspondentes a 3 palhetas guia ao mesmo tempo, tornando a velocidade e a pressão do fluxo em cada ponto de saída da passagem da pá do impulsor muito desigual. O impacto do fluido na palheta-guia gerará uma forte força alternada. Além disso, a velocidade de fluxo irregular na saída do impulsor forma uma camada limite mais séria e um vórtice de separação na palheta guia, resultando em pulsação de pressão depois que o fluido sai da bomba. Outro possível fator que pode causar vibração na tubulação causada pela bomba B é a baixa pressão de saída. A curva de desempenho da bomba é plana e a pulsação da pressão pode facilmente causar flutuações de fluxo. As flutuações de fluxo intensificam a força de impacto na parede do tubo, gerando maior vibração no sistema de tubulação.

 

 

A partir da conclusão do diagnóstico da falha de vibração do sistema de tubagem, confirma-se que a fonte de vibração provém da própria bomba B e não do sistema de tubagem. Portanto, recomenda-se modificar o projeto da bomba, ou seja, modificar os componentes do rotor e do estator. As medidas específicas incluem geralmente os dois aspectos seguintes:

(1) Altere o número de pás do impulsor, altere Z1 de 6 para 7 e consulte os parâmetros da bomba A para projetar cuidadosamente cada parte do canal de fluxo, a fim de eliminar fundamentalmente a pulsação de pressão do fluido.

(2) Aumente a pressão de saída da bomba dos 18,3 MPa originais para 21,3 MPa, aumentando muito a força motriz do fluido no tubo e diminuindo a flutuação da vazão.

Após a modificação, a bomba B foi colocada em operação. A forte vibração original da tubulação desapareceu completamente e o valor do deslocamento da vibração na válvula elétrica caiu de 800μm para 61,5μm; o valor do deslocamento de vibração da cauda do duto com maior vibração caiu de 1mm para 129μm; o valor da velocidade de vibração da caixa do rolamento também caiu de 2,56 mm/s para 1,48 mm/s. O nível de microvibração da tubulação é quase o mesmo da bomba A quando ela está funcionando.