Diagnostic et traitement des défauts des pipelines de pompes
L'hydrocraquage de 800,000 t/a d'une certaine entreprise est un dispositif de traitement en profondeur de raffinage du pétrole produit dans le pays. L'appareil dispose de deux grandes pompes d'alimentation haute pression (dont une de rechange) pour faire passer l'huile brute (huile de cire) de la pression d'entrée de 0,15 MPa à la pression de sortie d'environ 10 MPa, et entrer dans le système de réaction d'hydrogénation pour la réaction. . Parmi les deux pompes multi-étages haute pression, l'une est une pompe A, une roue à 7-étages, un débit nominal de 126,8 m3/min, une hauteur manométrique de 2 254 m, une vitesse de 5 000 tr/min ; l'autre est une pompe B, 5-roue d'étage, diamètre de la roue 293 mm, numéro de pale de roue Zl=6, numéro de pale de guidage Z2=9, débit de conception 126,8 m3/h, hauteur 2256 m, vitesse 5814r/min. Les deux pompes sont fondamentalement disposées symétriquement, et les conduites de sortie traversent chacune le débitmètre à orifice, le clapet anti-retour, la vanne manuelle et la vanne de régulation électrique, puis fusionnent dans l'espace, puis entrent dans le système de réaction par une très longue conduite principale et groupe de vannes. Le tracé du pipeline est illustré à la figure 1. La longueur totale du pipeline depuis la sortie de la pompe jusqu'au réacteur est de 140 m. Après l'installation de la pompe B, la canalisation et le système de vannes ont subi de fortes vibrations depuis le premier test de charge. Étant donné que l'huile de cire transportée par la pompe est un matériau inflammable, une fois le système de pipeline vibré et fissuré, les conséquences seront très graves. Par conséquent, il est très important de résoudre le problème de vibration du système de canalisation lorsque la pompe B fonctionne pour garantir la production sûre de l'appareil.
Afin de diagnostiquer le problème de vibration du système de canalisations lors du fonctionnement de la pompe B, les deux pompes ont été testées et comparées. Lorsque la pompe A fonctionnait, la vibration du corps de la pompe et de la canalisation était très faible, la valeur d'indication du manomètre de sortie de la pompe était de 18,8 MPa, l'oscillation de l'aiguille de la jauge n'était pas évidente et l'aiguille du débitmètre n'avait qu'une légère balançoire. Après le passage à la pompe B, la canalisation de refoulement a montré une vibration importante, quelles que soient les conditions de faible débit ou de fonctionnement à pleine charge. Le déplacement des vibrations au niveau de la vanne électrique était de 0,8 mm, le déplacement des vibrations à la queue du pipeline atteignait 1 mm et la valeur de la vitesse de vibration atteignait 10,3 mm/s. Les performances vibratoires étaient intermittentes. Observez la pression et le débit, le manomètre de sortie indiquait 18,3 MPa, l'amplitude d'oscillation du pointeur était de 0.5-1 MPa et l'amplitude d'oscillation du pointeur du manomètre de canalisation d'aspiration était de 0,4 Mpa ; le débitmètre indiquait 100 t/h et l'amplitude de balancement du pointeur atteignait 6-10 t/h. La pression du système de réacteur a été réduite de 1 MPa et la vibration du système de canalisations a été observée. La pression de sortie de la pompe et la pulsation du débit étaient les mêmes que dans les conditions normales de fonctionnement, et les vibrations du système de canalisations ne se sont pas améliorées.
1. Vanne électrique ; 2. Vanne manuelle ; 3. Clapet anti-retour ; 4. Débitmètre à orifice ; 5. pipeline à petit débit ; 6. Pompe A ; 7. Pompe B ; 8. système de réacteur
Afin d'explorer la cause des vibrations dans le système de pipeline, des tests de signaux de vibration ont été effectués sur la vanne unidirectionnelle, la vanne de régulation électrique, la queue du pipeline et le corps de la pompe présentant des vibrations importantes. De plus, à cause du grand balancement de l'aiguille du manomètre et du débitmètre et des signes inégaux et instables du bruit du fluide dans la canalisation écouté avec un bâton d'écoute, il a été estimé qu'il pourrait y avoir de fortes pulsations de pression dans le fluide dans la pompe et le pipeline, de sorte que le capteur de pression a été utilisé pour mesurer directement la pulsation de pression dans le pipeline. Le signal a été enregistré avec un magnétophone et un dispositif d'acquisition de données, puis une analyse de forme d'onde et une analyse de fréquence ont été effectuées sur un analyseur de fréquence. Le spectre de vibration du roulement côté moteur du corps de la pompe est illustré à la figure 2, où les composantes de fréquence avec une amplitude A plus élevée sont la fréquence industrielle de la pompe (97 Hz) et la fréquence de vitesse du moteur (50 Hz, 100 Hz). .
La figure 3 représente le spectre vibratoire du roulement en sortie de pompe. Les composants ayant des amplitudes plus élevées sur la figure sont les fréquences de passage fz1 (582 Hz) et 2fz1 (1 160 Hz) des pales de la pompe. Le corps de la pompe ne vibre pas beaucoup en raison de sa bonne rigidité de support et l'amplitude de fréquence traversante du boîtier de roulement est de 2,56 mm/s. La vanne unidirectionnelle et la vanne électrique vibrent fortement, et la forme d'onde et le spectre de leurs signaux de vibration sont illustrés à la figure 4. La fréquence de vibration principale de 9 Hz sur la figure est la fréquence d'auto-oscillation de la vanne unidirectionnelle et du système de groupe de vannes électriques. En raison de l'impact intermittent du fluide, l'amplitude de la forme d'onde de vibration A est parfois élevée et parfois faible, ce qui est similaire à la forme d'un « battement ».
La queue du pipeline est la partie où les vibrations sont les plus importantes. Il est connecté au pipeline principal et ne peut pas être supporté par l'espace. Par conséquent, sous l’action de la force d’excitation du fluide, la vibration est très importante. La figure 5 montre la forme d'onde de vibration et le spectre de la queue du pipeline. La fréquence de vibration principale sur la figure est de 7 Hz. Lorsque la pulsation de pression du fluide impacte par intermittence la queue du tuyau, l'amplitude de la composante fréquentielle autour de 7 Hz sur le spectre de la queue du tuyau augmente soudainement. On peut voir à partir de la forme d'onde du domaine temporel que l'onde haute fréquence fluctue de haut en bas et que la fréquence de la fluctuation périodique est de 7 Hz. Après simulation informatique et calcul à l'aide de la méthode des éléments finis, la composante 7 Hz est la fréquence naturelle d'un certain ordre du système de canalisations, et la composante haute fréquence superposée peut être la fréquence naturelle de la vanne à la queue du tuyau.
Afin de savoir si la vibration du système de canalisations est causée par la pulsation de pression du fluide, un capteur de pression est utilisé pour tester et analyser directement la pulsation de pression du fluide dans la canalisation. L'ampleur de la pulsation de pression du fluide peut être exprimée par l'irrégularité de pression δ :
La figure 6 est le signal dans le domaine temporel de la pulsation de pression. L'onde haute fréquence sur la figure fluctue de haut en bas et la fréquence de fluctuation est de 7 Hz, ce qui est la fréquence naturelle du système de canalisations. La valeur maximale de l'amplitude de fluctuation △P=Pmax-Pmin=147mV~176mV, la composante continue de la pression moyenne P0=5.5V et l'irrégularité de pression δ{{9 }}.027~0.032. Observez le balancement de l’aiguille du manomètre de sortie de la pompe. À une pression moyenne de 18,3 MPa, l'oscillation du pointeur est de 0,5 à 1 MPa et l'irrégularité des pulsations de pression affichée est la même que le résultat obtenu sur la figure 6.
La valeur d'irrégularité des pulsations de pression mesurée ci-dessus est évidemment trop grande. Bien qu'il n'existe aucune norme pour les pompes centrifuges en Chine, l'irrégularité des pulsations de pression du tuyau de refoulement est généralement limitée à δ{{0}},02~0,04 en référence aux compresseurs alternatifs. La pompe transporte actuellement un liquide incompressible et sa valeur est proche de la valeur maximale autorisée spécifiée par le système de canalisation du compresseur, ce qui n'est évidemment pas autorisé. C’est une telle irrégularité de pression δ qui provoque de grandes vibrations dans le pipeline. Lorsque l'irrégularité de pression δ=0.027 et la pression moyenne P0=18.3MPa, l'amplitude de la pulsation de pression (l'amplitude maximale s'écartant de la pression moyenne) est :
Lorsque cette amplitude de pulsation rencontre un coude à angle droit, la force d'impact de l'écoulement du liquide sur la paroi du tuyau au niveau du coude est illustrée à la figure 7. La force résultante statique du fluide sur le coude est :
Le diamètre intérieur du tuyau est de 132 mm. Lorsque le fluide pulse, l’amplitude d’impact de la pression pulsée sur le coude est :
Une force de 4777N est appliquée à chaque coude de tuyau, ce qui provoquera inévitablement de fortes vibrations du tuyau. De plus, lorsque le fluide rencontre une contraction transversale telle qu'une valve ou un réducteur, une grande force d'impact du fluide sera également générée. La pulsation de la pression du fluide entraînera des changements de pulsation dans le débit dans le tuyau. La figure 8 est un graphique de changement de pulsation obtenu en envoyant le signal de pulsation de pression et le signal émis par le débitmètre à l'ordinateur et en échantillonnant en même temps. Sur la figure, Q est le débit total sortant de la sortie de la pompe, Q1 fait partie du débit entrant dans le système de réaction et l'autre partie du débit plus petit retourne à l'équipement frontal de la pompe. Comme le montre la figure, la loi des changements de pulsation de pression et de pulsation de débit est cohérente. Lorsque l’onde de pression atteint son apogée, le fluide présent dans le tuyau accélère, provoquant une augmentation instantanée du débit ; lorsque l'onde de pression chute instantanément, le fluide dans le tuyau décélère et le débit chute instantanément. Sur la figure, la distance relative entre le point de mesure du débit Q et le point de mesure de la pression est relativement proche, et la cohérence des changements entre les deux est bonne. Le point de mesure Q1 se trouve à l'extrémité du système de canalisations. D'une part, il est éloigné du point de mesure de pression et, d'autre part, il est également affecté par le débit de la canalisation à petit débit. Par conséquent, la cohérence des changements de pulsation des débitmètres avant et arrière est médiocre. Les changements pulsés de pression et de débit mentionnés ci-dessus auront un impact sur le pipeline et provoqueront de fortes vibrations dans le système de tuyauterie.
Afin d'explorer la raison pour laquelle la pompe génère une pulsation de pression, le signal de pulsation de pression collecté est soumis à une analyse de fréquence et son spectre est illustré à la figure 9. Trois composantes de fréquence principales apparaissent souvent dans la figure : (1) Le {{2 }} La composante de fréquence Hz est souvent la composante principale avec la valeur de crête la plus élevée. Comme mentionné ci-dessus, il s’agit de la fréquence naturelle du système de canalisations. (2) La composante de fréquence de 291 Hz est 3 fois supérieure à la fréquence de vitesse de la pompe. Le nombre de pales de roue de la pompe est Z1=6 et le nombre de pales de guidage est Z2=9. Le plus grand diviseur commun des deux pales produit cette fréquence de pulsation. (3) La composante de fréquence de 680 Hz est 7 fois supérieure à la fréquence de vitesse de la pompe. Cette composante de fréquence semble être liée à l’effet combiné de la fréquence d’alimentation de la pompe et de la fréquence propre du système de canalisations.
Sur la base de la comparaison des conditions de test des deux pompes et des résultats des tests et analyses des vibrations et des pulsations de pression du pipeline, les avis de diagnostic suivants sont avancés :
(1) La source d'excitation des vibrations du pipeline provient de la pompe B, et non du problème de conception du pipeline, car lorsque la pompe A, qui est fondamentalement disposée symétriquement, fonctionne, ni le tuyau d'aspiration ni le tuyau de refoulement ne vibrent. Lorsque la pompe B fonctionne, non seulement la canalisation de refoulement vibre violemment, mais également la canalisation d'aspiration des pompes A et B connectées en parallèle a une grande amplitude. Évidemment, il ne s’agit pas de la transmission de vibrations mécaniques, mais du résultat de la transmission de pulsations de pression du fluide.
(2) Les pulsations de pression du fluide sont la cause directe des vibrations du pipeline. En raison de la pulsation de pression, un impact de fluide est généré à chaque changement de courbure et de section transversale d'un pipeline très long, et la force d'impact excite la fréquence naturelle du pipeline et de la vanne. À la queue du pipeline, des fréquences naturelles basse fréquence d'environ 1 Hz et 5 ~ 10 Hz sont principalement excitées, et au niveau de la vanne électrique et du clapet anti-retour, une fréquence naturelle de 9 Hz est principalement excitée.
(3) La raison pour laquelle une pulsation de pression de fluide se produit lorsque la pompe B fonctionne est liée à la conception de la pompe. Selon les informations, afin de réduire la force instable générée sur l'aube directrice de la pompe à palettes, le nombre d'aubes de roue Z1 et le nombre d'aubes directrices Z2 doivent être premiers l'un par rapport à l'autre ; dans le même temps, afin de garantir que l'amplitude de pulsation de pression à la fréquence des pales soit minimisée, la condition selon laquelle Z1 et 2Z2 sont premiers l'un par rapport à l'autre doit également être remplie. Or, les Z1 et Z2 de la pompe ne sont pas premiers l'un par rapport à l'autre, et Z1 et 2Z2 ne sont pas des nombres premiers. Le plus grand diviseur commun de Z1 et Z2 est 3, donc une composante de fréquence de 3X97=291Hz est générée dans le signal de pulsation de pression. Le diviseur commun des aubes et des aubes directrices est 3, ce qui signifie qu'il y a 3 aubes correspondant à 3 aubes directrices en même temps, ce qui rend la vitesse d'écoulement et la pression à chaque point de sortie du passage des aubes de la roue très inégales. L'impact du fluide sur l'aube directrice générera une forte force alternative. De plus, la vitesse d'écoulement inégale à la sortie de la turbine forme une couche limite et un vortex de séparation plus importants sur l'aube directrice, ce qui entraîne une pulsation de pression après que le fluide s'écoule hors de la pompe. Un autre facteur possible pouvant provoquer des vibrations dans la canalisation causées par la pompe B est la faible pression de sortie. La courbe de performance de la pompe est plate et les pulsations de pression peuvent facilement provoquer des fluctuations de débit. Les fluctuations de débit intensifient la force d'impact sur la paroi de la canalisation, générant ainsi des vibrations plus importantes dans le système de canalisations.
À partir des conclusions du diagnostic du défaut de vibration du système de tuyauterie, il est confirmé que la source de vibration provient de la pompe B elle-même et non du système de tuyauterie. Par conséquent, il est recommandé de modifier la conception de la pompe, c’est-à-dire de modifier les composants du rotor et du stator. Les mesures spécifiques comprennent généralement les deux aspects suivants :
(1) Modifiez le nombre de pales de la roue, changez Z1 de 6 à 7 et reportez-vous aux paramètres de la pompe A pour concevoir soigneusement chaque partie du canal d'écoulement afin d'éliminer fondamentalement la pulsation de pression du fluide.
(2) Augmentez la pression de sortie de la pompe de 18,3 MPa d'origine à 21,3 MPa, augmentant ainsi considérablement la force motrice du fluide dans le tuyau et ralentissant la fluctuation du débit.
Après la modification, la pompe B a été mise en service. La forte vibration originale du pipeline a complètement disparu et la valeur de déplacement des vibrations au niveau de la vanne électrique a chuté de 800 μm à 61,5 μm ; la valeur de déplacement des vibrations de la queue du pipeline présentant la plus grande vibration est passée de 1 mm à 129 μm ; la valeur de la vitesse de vibration du boîtier de roulement a également chuté de 2,56 mm/s à 1,48 mm/s. Le niveau de micro-vibrations de la canalisation est quasiment le même que celui de la pompe A lorsqu'elle est en marche.
