提高泵的可靠性

复合磨损环提高泵的可靠性

作者:Robert Aronen -技术支持工程师-行业正常运行时间-加利福尼亚州贝尼西亚
Brian bob棋牌和亚博Boulden -总裁- Boulden公司- Conshonocken, Pennsylvania
Martin Russek -旋转设备专家- Sunoco公司- Westville, New Jersey

摘要

介绍

固定泵磨损环，喉衬套、级间衬套、减压衬套和立式泵管路轴轴承，碗形衬套由金属转换为复合材料。图1图1显示了复合材料在典型卧式泵中的位置，图1显示了复合材料在典型立式泵中的位置。

大多数泵的维修都是在现场完成的炼油厂使用下列程序维护设施。复合材料部件采用过盈配合加工和安装。一些应用程序将组合用作一个实体组件(图3)，其他应用程序使用复合材料作为插入到现有的金属戴上戒指，经加工后用作支架(图4)．在这两种情况下，额外的防旋转装置，如销或螺钉都没有使用-过盈配合提供唯一的防旋转机构。这种方法被证明是有效的。现有的金属旋转组件与复合固定组件运行，没有特殊的加工或硬度要求。

主题泵人口

该主题人群提供了典型炼油厂服务的一个很好的横截面。总共有61台泵进行了改造，加入了复合耐磨组件，包括卧式和立式泵，这些泵几乎接触了所有最常见的炼油服务产品和化学品。

• 温度从65°F(18°C)到475°F(246°C)
• 服务项目包括乙烷丙烷汽油锅炉给水,炉油、煤油、二乙醇胺(DEA)、异丙苯、硫酸、苛性碱、石脑油和酸性水
• 36台立式泵和25台卧式泵，功率范围从25马力到750马力
• API泵类型为单级悬臂式(OH2)，垂直直插式(OH4)，轴承间双吸(BBI)如图(5)所示，轴承间水平分段多级(BB3)和多级垂直(VS6)
• 间歇式服务中有16台泵，如罐区和加载泵，连续工艺装置中有45台泵
• 21台使用挥发性有机化合物([VOC]-在环境温度-68°F下蒸汽压大于14.7 psia的碳氢化合物)的泵，其中12台使用单一密封，并接受现场泄漏检测和修复(LDAR)程序
• 具体速度从600到8500，转速从1200转到3600转

复合材料在泵中的潜在优势

复合材料在泵提供两种类型的好处。首先是泵存活的可能性干涸或者可能导致金属部件卡住的非设计条件。第一个好处导致了第二个好处——与API标准相比，该材料不易被扣押，安装间隙更小。

从第一个优点来看，很少一部分泵的故障是由于磨损环卡死或运行干燥条件造成的。可靠性研究表明，泵的故障原因已经确定，这些故障模式占泵故障的2% - 4% (Bloch, 1988)。然而,泵发作具有潜在的高能故障模式，导致严重的后果，如过高的泵修复成本或潜在的环境或安全事故。因此，避免这些故障对许多泵送应用具有显著的好处。

减少磨损环间隙为提高泵的可靠性和性能创造了许多机会。减少间隙增加转子阻尼力由于Lomakin效应(Lobanoff和Ross, 1992)，这将建议泵应达到较低的振动水平。Lobanoff和Ross(1992)还注意到，减少磨损环间隙可以降低所需的净正吸头(NPSHR)，这有可能起到缓解作用空化在紧急情况下。(不幸的是，现场仪器不允许测量NPSHR，数据不能包含在本研究中。)从逻辑上讲，降低振动和减少气蚀应该会提高泵的可靠性。已经发表的个别案例研究支持了这一论断，小组泵的可靠性有了实质性的提高(Komin, 1990;举杯祝酒,2001)。

研究的结果

泵的可靠性

虽然泵的设计文本和个别案例研究都认为泵的可靠性应该提高，但关键问题仍然存在:泵的可靠性是整体的提高，还是只提高了2%到4%的不良工艺条件下可能导致癫痫发作的人群?这种改善是否可以持续很长一段时间，还是在最初安装时减少振动，6个月后才增加?该程序的结果表明，减少运行间隙的复合磨损部件对泵的可靠性产生了显著和持久的改善。

收集了61台泵的数据，这些泵的使用时间从86天到1240天不等，平均使用时间为407天。61台泵的累计运行时间为68年(详细方法参见附录a)．计算前后等效运行时间内的总故障，并使用总服务时间除以故障数来计算平均修复间隔时间(MTBR)。

对于整个种群，在转换前的68年运行时间内发生了22次故障，在转换后的68年运行时间内发生了12次故障。MTBR由37个月增加到68个月。一个合理的问题是，这种可靠性的提高能否在未来几年持续下去。为了评估更长期的可靠性提高，对服役两年以上的泵进行了相同的计算。表2显示了结果。至少，数据表明，可靠性的提高不是一个短暂的现象。

显然，对于最初转换为复合材料的泵来说，改善效果最为显著。这并不奇怪，因为这些泵在转换为复合组件之前反复出现故障，是“不良行为”。

振动

正如所讨论的，减少磨损环间隙应导致更大的转子稳定性，由于Lomakin效应．有人会认为更大的转子稳定性会导致更低的整体振动水平;然而，没有对作者所知的现场研究来确定当磨损环间隙减小时振动减小的程度。

本质上，使用相同的方法来评估对振动的影响——使用转换日期前后的整体振动读数。使用转换前和转换后三个点。“合成前”的三个数据点分别来自转换前一年、模拟月和一个月的读数。三个“综合后”数据点来自转换后1个月、6个月和1年的读数。(在实践中，由于泵在不同的时间转换为复合材料，采用不同的数据采集路线，并且只在某些振动采集间隔内运行，这些数据点的“日期”可以用“近似时间框架”来描述。)

由于数据量大，每台泵的数据采集点多，泵的类型不同，振动频率也不同，因此很难对振动前后的数据进行比较。因此，需要对数据进行简化。首先，忽略振动频率，每个数据点只使用总体速度读数。接下来，泵的平均整体读数被用作任何时间点的振动强度——工装裤的整体。(例如:如果一个悬挂式卧式泵有三个数据采集点，水平、垂直和轴向的总体振动读数分别为每秒0.12、0.18和0.20英寸(ips)，那么在那个时间点的“总体”读数将是这三个工作服的平均值，即0.17。)振动数据仅用于卧式泵，因为数据采集点直接在泵转子上(参见立式泵的注意事项下文)。总共24台泵有足够的数据可用，结果如图6所示。

结果显示，受试者总体振动水平从0.15到0.11 ips的平均降低了25%。通过将数据集分为两组来评估复合材料的影响，泵的“顶部1/2”改善最大，泵的“底部1/2”减少很少或没有减少振动。我们发现，之前泵的上半部分振动振幅更高(>0.15 ips)，平均振动降低了42%。对于泵的下半段，泵的振动已经非常低(接近0.1 ips)，减少复合材料的间隙对振动没有影响。

立式泵的注意事项

本研究未采用立式泵的振动数据。这是一种方法的功能，而不是立式泵是否有转子稳定性的好处。水平泵的振动测量发生在泵转子的轴承座上。垂直泵的振动测量通常发生在电机上，这可能比泵转子稳定性提供更好的电机健康指标。为了避免这种争论，本研究中省略了立式泵。

这并不是说立式泵有稳定的转子。转子不稳定问题实际上在立式泵中比在卧式泵中更常见(Corbo和Malanoski, 1998)。长轴立式泵可能会遇到严重的问题，如线轴轴承旋转(Corbo，等人，2002)。减少直线轴轴承的间隙可能有助于解决立式泵的一些问题。

排放

泵的故障通常归因于机械密封(Bloch, 1988)。在实践中，振动，轴偏转，空化，或多种其他原因可能导致泵故障，在维护记录中被确定为“机械密封故障”。与振动数据相似，转子稳定性的改善也会提高机械密封的可靠性，这似乎是不言而喻的。

由于国家和地方排放法规的日益严格，在VOC应用中，机械密封的可靠性尤为重要。此外，泵的这一部分很适合研究。在本研究进行时，该站点在LDAR数据库中记录了泵在VOC服务中的排放故障，提供了每个泵超过当地VOC排放标准的次数记录。

在被研究的人群中，有21台泵的服务属于挥发性有机化合物的定义。这些泵大多用于汽油、丁烷或丙烷服务。其中12个泵使用单个密封，因此在现场LDAR项目中有排放故障历史记录。

复合材料的影响是通过计算在转换为复合材料磨损环之前和之后的等效运行时间内的排放失效来评估的。对于12台采用单一密封的泵，复合材料共使用了14.2年。图7显示了复合程序之前和之后排放失败的数量。在安装复合材料之前，发生了7次排放故障;复合材料之后，出现了两次排放失败——排放失败率降低了70%。

效率

通过减少磨损环间隙来提高效率已经在泵的设计文献(Bloch和Geitner, 1985)和案例记录(Pledger, 2001)中得到了充分的证明。不幸的是，典型的现场仪器并不能实现非常精确的测量泵的效率，因此，本研究没有纳入效率数据。

结合之前的工作证明了效率的提高，这些结果证明了泵的可靠性的提高，应该会引起业务经理的极大兴趣。在过去，可靠性管理人员会建议将泵的效率提高2%是很有趣的，但公司的真正目标是提高可靠性。看看这项研究证明的可靠性的提高，似乎工厂可以同时提高效率和可靠性。

结论

这项工作强调了在泵中使用复合材料磨损组件的几个关键好处:减少振动，减少密封VOC失效，提高可靠性。虽然不能负责任地假设这个程序的成功程度是典型的，或完全归因于复合材料的转换，但作者可以得出一些结论:

• 61台复合材料泵的可靠性得到了提高。在测试期间，所有复合材料泵的故障总数下降了45%。
• 采用复合耐磨环的泵，间隙减小，振动更低，特别是对于以前使用复合耐磨环的泵高振动水平．平均减少25%的振动。
• VOC服务中的单个密封件在转换为间隙较小的复合磨损环后，可靠性显著提高。改造后，现场LDAR项目中由于机械密封排放导致的泵故障减少了70%。
• 泵可能会经历干涸条件或工艺故障在可靠性方面的提升幅度最大。最初由于工艺相关问题而确定的泵组的故障减少了85%。

该研究对61台泵进行了研究，结合68年的运行时间，表明复合磨损材料有助于提高泵的可靠性。对整个数据集的可靠性影响得到了验证。这表明，电厂在同时提高泵的可靠性和效率方面存在重大机遇。

附录方法

为了量化该方案对可靠性的影响，研究人员收集了复合转换前后的泵修复、振动和机械密封排放故障数据。现场维护管理系统提供泵的维修历史，现场振动监测程序提供振动数据，从现场LDAR程序获得排放故障历史。

确定泵修理实践中任何变化的影响的困难之一是，变化发生在修理时。因此，每个泵都有不同的“转换日期”来评估结果。因此，简单地将第一台泵的转换命运作为所有61台泵的启动日期将会模糊结果。

为了解决这一问题，我们从维护记录中确定了每台泵的转换日期，以每台泵的实际使用时间作为评估周期。从每台泵的数据收集日期减去转换日期，就得到了每台泵的运行时间。加上所有61台泵的运行时间，“交换运行时间”为68年。

在确定基线性能时，会出现一个相关的问题，即确定需要使用多少以前的修复历史。在改造前的5年里，一个泵可能发生过两次故障，但这种复合材料只使用了18个月，没有发生过任何故障。以前的MTBR是30个月，现在的MTBR是无限的，这样说准确吗?

为了避免这种误传，数据收集使用了转换前后相同的时间段。换句话说，如果转换日期是3年前，那么就会评估之前3年的转换数据。如果转换日期是6个月前，那么只评估之前6个月的转换数据。最终结果是转换前的“等效”运行时间，以及复合转换前68年的累计运行时间。

最后，这项研究根据简单的标准得出结论:泵故障是不好的，低振动比高振动好，排放失败是不希望的。换句话说，在复合材料安装前后，没有尝试评估失效的根本原因、振动原因或机械密封泄漏的原因。

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参考文献

1988年布洛赫,惠普,工艺工厂实用机械管理第1卷:提高机械可靠性。第二版德克萨斯州休斯敦市:海湾出版公司。

布洛赫，惠普和盖特纳，1985，过程工厂实用机械管理，第4卷:主要过程设备维护和维修，德克萨斯州休斯顿:海湾出版公司。

Corbo, M.A, Leishear, R.A, and Stefanko, D.B, 2002“旋转动力学分析在纠正垂直长轴泵旋转问题中的实际应用”，第十九届国际水泵用户研讨会论文集，德州农工大学涡轮机械实验室，学院站，德州，107-120页。

Corbo, M.A.和Malanoski, s.b.， 1998，“泵浦旋翼动力学变得简单，”第十五届国际水泵用户研讨会论文集，德州农工大学涡轮机械实验室，学院站，得克萨斯州，167-204页。

Komin, r.p, 1990，“使用金属填充石墨磨损部件提高轻烃和凝析油服务中的泵的可靠性，”第七届国际水泵用户研讨会论文集，德州农工大学涡轮机械实验室，学院站，德州，49-54页。

洛巴诺夫，弗吉尼亚和罗斯，r.r.， 1992离心泵:设计与应用，第二版，休斯顿，德克萨斯州:海湾出版公司。

Pledger, J.P, 2001，“利用复合磨损部件提高泵的性能和效率”，世界泵, 420号。

参考书目

布洛赫，惠普和布德鲁斯，2004年，泵用户手册:延长寿命，乔治亚州利尔本:费尔蒙特出版社

确认

作者想要感谢Dave Pfaff，在俄亥俄州Valley View的杜邦™Vespel®制造工厂的技术服务工程师，提供复合材料信息。