離心泵可靠性 — 硬幣的第三面
2021-04-29 13:08:33蔣 華1 謝小青2
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摘 要：對于很多用戶來說，不僅希望買到質(zhì)量可靠、效率高、汽蝕性能好的產(chǎn)品，而且同時還希望價格便宜。然而，可靠性、效率和價格如同硬幣有了第三面一樣，不可能同時存在。文章將結(jié)合工程實踐經(jīng)驗及前人研究的成果，就可靠性與效率、壽命、臨界轉(zhuǎn)速及生命周期成本之間的關(guān)系進行探討，期望能對廣大用戶有所借鑒。
關(guān)鍵詞：離心泵；可靠性；效率；壽命；臨界轉(zhuǎn)速；生命周期成本
背 景
對于一些老的技術(shù)人員來說，這個題目是不是有一種似曾相識的感覺？沒錯！1980s年代，沈陽水泵研究所曾經(jīng)翻譯過美國Igor J. Karassik的一篇著作“可靠性 – 硬幣的第三面”。之所以采用了同樣的標題，一是因為其研究成果今天仍然具有一定的參考價值，另一方面也是對前輩表達一種敬意。
近些年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)行業(yè)也得到了長足的發(fā)展，在生產(chǎn)企業(yè)中電機應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)量不斷增加，電機系統(tǒng)用電量占到了工業(yè)用電量的60 % ~ 70 %，而泵的用電量又占電機系統(tǒng)用電總量的近三分之一。
我國是能源資源嚴重短缺的國家，隨著能源成本的不斷增加，設(shè)備能耗越來越成為人們關(guān)注的焦點。為了促進我國節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，以提高能源利用效率和改善生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量為目標，2016年國務(wù)院印發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》（以下簡稱《方案》），明確了“十三五”節(jié)能減排工作的主要目標和重點任務(wù)，對全國節(jié)能減排工作進行全面部署。并將電機系統(tǒng)能效提升納入重點節(jié)能工程。在強化重點用能設(shè)備節(jié)能管理內(nèi)容中特別提出：淘汰低效電機、變壓器、風機、水泵、壓縮機等用能設(shè)備，全面提升重點用能設(shè)備能效水平。
對于每個用戶來說，不僅想買到質(zhì)量可靠、效率高的產(chǎn)品，而且還希望價格便宜，這是人之常情，可以理解。然而，可靠性、效率和價格如同硬幣有了第三面一樣，不可能同時存在。
如果要選擇一個單獨的標準作為衡量一臺設(shè)備的相對優(yōu)秀程度，要求這臺設(shè)備在大修前能夠長期連續(xù)運行而不必停機拆卸檢修、更換某些零部件、花費時間和金錢，那么，最好的衡量尺度是可靠性。
文章就離心泵可靠性設(shè)計及應(yīng)用中所涉及到的一些重要因素，如產(chǎn)品質(zhì)量、效率、壽命、臨界轉(zhuǎn)速、生命周期成本等與可靠性之間的關(guān)系進行探討，期望能對廣大用戶有所借鑒。
名詞及術(shù)語
臨界轉(zhuǎn)速
API 610第11版標準[1]對臨界轉(zhuǎn)速的定義為：轉(zhuǎn)子-軸承-支撐系統(tǒng)處于共振狀態(tài)時的軸轉(zhuǎn)速。
可靠性
在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，稱為產(chǎn)品的可靠性。可靠性是與時間相關(guān)的質(zhì)量指標，產(chǎn)品只能在一定的時間范圍內(nèi)達到可靠性目標值。
生命周期成本（LCC）
是指在產(chǎn)品有效使用期間（即全生命周期內(nèi)）所發(fā)生的與該產(chǎn)品有關(guān)的所有成本，包括開發(fā)（計劃、設(shè)計和測試）、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品營銷、物流、使用及維護、廢棄及處置等的成本。
關(guān)于可靠性的總的看法
可靠性對于很多人來說，都是一個比較模糊和難以確定的一個概念，即使是經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練、素質(zhì)很高的產(chǎn)品設(shè)計和應(yīng)用工程師也很難用幾句話來表達清楚。這就是為什么一個用戶在收到制造廠提供的幾種選擇（價格、效率和可靠性）中做出購買決定是多么的困難。
如果將價格和效率當作“硬幣”的兩個面來看待，那么工程師們必須學(xué)會考察硬幣的第三面 – 可靠性。用這個比喻，更進一步來說，硬幣的第三面，將告訴工程師們更為重要、更具有價值的一面[2]。
影響離心泵可靠性的因素
影響離心泵可靠性的因素很多，主要分為四大類：泵本體設(shè)計（執(zhí)行標準、水力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計）、產(chǎn)品加工制造及裝配、配套件選型及設(shè)計和現(xiàn)場安裝應(yīng)用。其中最主要的影響因素為：
1）壽命
2）效率
3）臨界轉(zhuǎn)速
4）生命周期成本
可靠性與質(zhì)量之間的關(guān)系
人們經(jīng)常將可靠性與產(chǎn)品質(zhì)量理解為同一概念。
定義
百度百科對產(chǎn)品質(zhì)量的定義：是指產(chǎn)品滿足規(guī)定需要和潛在需要的特征和特性的總和。任何產(chǎn)品都是為滿足用戶的使用需要而制造的。對于產(chǎn)品質(zhì)量來說，不論是簡單產(chǎn)品還是復(fù)雜產(chǎn)品，都應(yīng)當用產(chǎn)品質(zhì)量特征或特性去描述。產(chǎn)品質(zhì)量特性依產(chǎn)品的特點而異，表現(xiàn)的參數(shù)和指標也多種多樣，反映用戶使用需要的質(zhì)量特性歸納起來一般有六個方面：即性能、壽命（耐用性）、可靠性與維修性、安全性、適用性和經(jīng)濟性。
而產(chǎn)品的可靠性定義包括下列四要素：
1）規(guī)定的時間；
2）規(guī)定的環(huán)境和使用條件；
3）規(guī)定的任務(wù)和功能；
4）具體的可靠性指標。
異同
從質(zhì)量的內(nèi)涵可知，質(zhì)量問題是產(chǎn)品某些或某項特性不滿足要求，由設(shè)計、制造和管理等綜合因素導(dǎo)致。可靠性問題指的是產(chǎn)品在規(guī)定條件下不能實現(xiàn)既定功能，問題產(chǎn)生的原因為產(chǎn)品失效或故障。
可靠性問題是產(chǎn)品的功能失效，基于產(chǎn)品故障而產(chǎn)生。通過統(tǒng)計試驗可知，故障的產(chǎn)生期可劃分為3個階段，即早期故障階段、偶然故障階段和耗損故障階段。對于含有很多器件的產(chǎn)品，3個階段都會存在；有些產(chǎn)品則只含有部分階段，如軟件產(chǎn)品就沒有耗損階段。
可靠性與質(zhì)量的共同特點是，二者研究的問題是所有產(chǎn)品的共性。每種產(chǎn)品都要求滿足固有特性，同時也不能喪失規(guī)定的功能。
質(zhì)量問題是產(chǎn)品某些固有特性不能滿足要求，可靠性問題是指產(chǎn)品是否失效。可靠性本身是產(chǎn)品的固有特性，產(chǎn)品在規(guī)定的時間、條件下能夠?qū)崿F(xiàn)既定功能，即為滿足要求；滿足要求則說明該產(chǎn)品具備所需能力，即產(chǎn)品質(zhì)量合格 - 此時不存在可靠性方面的質(zhì)量問題。當產(chǎn)品的可靠性不能滿足要求時，可靠性問題則被視為質(zhì)量問題。
相互關(guān)系
質(zhì)量問題和可靠性問題之間，在一定程度上存在著交叉關(guān)系。從時間段上看，可靠性問題與質(zhì)量問題常常出現(xiàn)在不同階段。研制生產(chǎn)中的產(chǎn)品如果存在問題（生產(chǎn)、制造、試驗中的不滿足要求），則多為質(zhì)量問題；但如果產(chǎn)品可靠性設(shè)計不合理，產(chǎn)品交付驗收時（如進行鑒定試驗）可能發(fā)生故障，不滿足設(shè)計要求。因此可知，質(zhì)量問題與可靠性問題二者相互影響。
提高產(chǎn)品可靠性的有效手段之一是采用高質(zhì)量等級的元器件，即運用質(zhì)量控制、質(zhì)量保證的方法提高可靠性。反之，很多試驗為確保成功而采用加強篩選的措施，即采用可靠性的方法保證質(zhì)量。由此也不難看出，可靠性與質(zhì)量相互補充[3]。
可靠性與使用壽命之間的關(guān)系
毫無疑問，設(shè)備的可靠性可以提高其運行壽命。另外，也可以根據(jù)用戶對設(shè)備使用壽命的要求（如API泵至少為20年，第三代核電站重要用泵至少為60年）來確定其可靠性。
從事石化泵工作的人們都知道：API泵最大的特點是高可靠性、長壽命、安裝維護方便。
API610標準所涉及的內(nèi)容基本來自于良好的工程驗證和操作實踐，API泵永遠將安全可靠性放在第一位，如：
最好具有穩(wěn)定的流量-揚程曲線，如果規(guī)定是并聯(lián)運行，則曲線上的揚程上升量至少應(yīng)當是額定流量點揚程的10%；
對于單級揚程超過200米和單級功率超過225kW的高能泵，要求葉輪葉片與蝸殼或?qū)~之間必須具有足夠的間隙，以減小葉輪葉片通過頻率振動和小流量時的低頻振動；
壓力泵殼在最壞組合情況下，要求做到運轉(zhuǎn)無泄漏或旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間無接觸，并經(jīng)得住水壓試驗，同時還得預(yù)留至少3mm的腐蝕余量；
軸的全長進行機械加工并進行拋光，使總跳動不大于25 μm，同時軸的剛度應(yīng)當限定在主要密封面處軸的總撓度小于50μm；
葉輪、平衡鼓及類似的主要轉(zhuǎn)運部件應(yīng)當進行到ISO1940-1 G2.5級的動平衡；動/靜零部件應(yīng)當具有至少50的布氏硬度差，除非靜止和旋轉(zhuǎn)的耐磨表面都具有至少400的布氏硬度；
為了保證任何工況下動/靜部件均不易發(fā)生咬合，加大口環(huán)間隙；API泵應(yīng)配置API682標準中規(guī)定的集裝式機械密封；
如果能量強度（即泵額定功率kW和額定轉(zhuǎn)速r/min的乘積）為4百萬或更大，則必須使用流體動壓徑向軸承和推力軸承等等。
可靠性越高，使用壽命越長。
可靠性與效率之間的關(guān)系
可靠性與效率是一對緊密相關(guān)而又相互矛盾的技術(shù)經(jīng)濟指標。有人曾對不同效率的兩種超臨界600MW機組50%容量的給水泵作過效率與可靠性的研究，得出如圖1的曲線[4]。
除了水力設(shè)計以外，影響離心泵效率的最主要因素是內(nèi)部泄漏，如耐磨環(huán)間隙的大小。
如果我們正在研制一臺多級離心泵，那么我們可以通過選擇較高的比轉(zhuǎn)速設(shè)計來提高泵的效率。為此就需要較低單級揚程，增加葉輪級數(shù)，采用較長的軸跨距，這樣在運轉(zhuǎn)時又會使軸產(chǎn)生較大的撓度 – 除非我們選擇相反的辦法和采用較大的間隙，但又降低了泵的可靠性。
在實際工程應(yīng)用中，這種案例很多。
API泵以高可靠性而著稱，然而，API泵高可靠性是以犧牲部分效率為代價的，具體體現(xiàn)在：
1）對于如OH2和OH3型泵，API610第11版標準要求采用剛性軸設(shè)計，特別增加了附錄K.1并給出了軸剛性的判定原則。同時，為了提高可靠性，該標準還提出了軸承系統(tǒng)壽命的概念。
2）另外，為了提高可靠性，API610標準允許加大耐磨環(huán)間隙。這一點在API泵的工程實踐中已得到普遍采用。
這些提高可靠性的辦法，無疑會降低泵的效率。
某電廠2x350 MW機組50%容量的汽動給水泵，參數(shù)為Q=667 m3/h，H=2300 m，n=5400 rpm，η=85.3 %（熱態(tài)）。該泵的效率指標是高水平的，完全反映了高效率設(shè)計的特點。
在運行一年多的時間內(nèi)兩臺350 MW機組各有一臺汽動給水泵先后發(fā)生重大事故。泵的推力軸承燒毀，平衡機構(gòu)和葉輪耐磨環(huán)磨損或咬死引起軸彎曲。上海水泵廠從提高可靠性出發(fā)為該泵修改了轉(zhuǎn)子的局部設(shè)計、更換了軸材，提供了兩根泵軸和修改設(shè)計中需要的零件，精心做了轉(zhuǎn)動部件的動平衡并派員到現(xiàn)場指導(dǎo)組裝。
泵修復(fù)后，兩臺泵的振動水平均小于0.02 mm，比原裝進口泵減少了一半。效率和可靠性之間的關(guān)系在這個實例中得到了充分的說明[4]。
可靠性越高，泵的效率越低。
臨界轉(zhuǎn)速與可靠性之間的關(guān)系
在臨界轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子對于不平衡比任何其它轉(zhuǎn)速時更敏感。與其它類型的旋轉(zhuǎn)設(shè)備相比，泵轉(zhuǎn)子動力學(xué)涉及到更多的設(shè)計變量，了解臨界轉(zhuǎn)速的目的在于讓離心泵的工作轉(zhuǎn)速避開臨界轉(zhuǎn)速，從而避免引起共振。
泵的臨界轉(zhuǎn)速取決于軸的橫向剛度系數(shù)和圓盤的質(zhì)量，而與偏心距無關(guān)。更具體的說，臨界轉(zhuǎn)速的大小與軸的材料、結(jié)構(gòu)、粗細、葉輪質(zhì)量及位置、耐磨環(huán)的間隙及表面型式、軸的支承方式等因素有關(guān)。臨界轉(zhuǎn)速還與軸所受到的軸向力的大小和方向有關(guān)，當軸向力為拉力時，臨界轉(zhuǎn)速提高，而當軸向力為壓力時，臨界轉(zhuǎn)速則降低。
由于轉(zhuǎn)子在各種振型下有一系列固有頻率，因而也有相應(yīng)的一系列臨界轉(zhuǎn)速，由低及高依次稱為一階臨界轉(zhuǎn)速、二階臨界轉(zhuǎn)速……等等。不過，通常只有一階臨界轉(zhuǎn)速和二階臨界臨界轉(zhuǎn)速與離心泵的實際應(yīng)用相關(guān)。離心泵的額定工作轉(zhuǎn)速或者低于轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速，或者介于一階臨界轉(zhuǎn)速與二階臨界轉(zhuǎn)速之間。在傳統(tǒng)意義上，將前者稱作剛性軸，后者稱作柔性軸。
由于材料及熱處理工藝等基礎(chǔ)性研究一直是我國的一個短板，嚴重制約了制造業(yè)的發(fā)展。因此，實際工程應(yīng)用中，對于那些可靠性要求高的重要場合、關(guān)鍵用泵，均要求采用剛性軸。
然而，即使采用了剛性軸，在實際工程招標過程中，工程公司/設(shè)計院/用戶還是不太放心 - 為了防止泵運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生共振，希望一階臨界轉(zhuǎn)速與泵額定轉(zhuǎn)速差距越大越好（如早期核電站招標文件中要求“泵組軸系在水中的第一臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)高于其額定工況點對應(yīng)轉(zhuǎn)速的125%”，后來要求高于其額定工況點對應(yīng)轉(zhuǎn)速的135%、甚至要求達到150%），從技術(shù)上來說是沒有問題的。
但是，卻忽略了臨界轉(zhuǎn)速對離心泵性能的影響（與泵的能效要求相矛盾）。在同等條件下，臨界轉(zhuǎn)速越高，軸系越粗，意味著泵的效率越低。為此，應(yīng)根據(jù)不同的泵型及不同的使用工況，合理確定臨界轉(zhuǎn)速與泵的額定轉(zhuǎn)速之間的比值。
如果既要滿足第一臨界轉(zhuǎn)速高于其額定工況點對應(yīng)轉(zhuǎn)速的150%，又要滿足能效標準要求，最有效的辦法是動/靜零部件之間設(shè)計成具有極小的間隙，以便降低泵的內(nèi)部泄漏。但是這種強制結(jié)構(gòu)對于提高泵的可靠性是極為不利的方法。
在同等條件下，臨界轉(zhuǎn)速越高，泵的可靠性越高，而效率卻越低。
可靠性與產(chǎn)品生命周期成本之間的關(guān)系
大概從上世紀80年代開始，很多發(fā)達國家在設(shè)備采購和工程招標中便開始引用產(chǎn)品“生命周期成本”的概念，并作為一項必不可少的評標內(nèi)容。
LCC是指產(chǎn)品整個“生命周期”內(nèi)的所有成本，將產(chǎn)品壽命與其性能、可靠性、可生產(chǎn)性、可維護性以及質(zhì)量和成本等綜合考慮。
LCC管理源起于美國軍方，最初主要用于軍事物資的研發(fā)和采購，適用于產(chǎn)品使用周期長、材料損耗量大、維護費用高的產(chǎn)品領(lǐng)域。1999年6月，美國總統(tǒng)克林頓簽署政府命令，各州所需的裝備和工程項目，要求必須有LCC報告，沒有LCC估算、評價，一律不準簽約。
LCC自上個世紀 80 年代初期引入我國。當時，我國的 LCC 工作由海軍起頭，空軍、二炮都積極推廣運用，并于1993 年、1998 年分別頒布實施了國軍標“裝備費用 - 效能分析”，軍隊使用標準“武器裝備壽命周期費用估算”，在軍事裝備的論證與審核中，將把 LCC作為一項必不可少的內(nèi)容。
2001年1月HI（美國水力協(xié)會）、Europump（歐洲泵業(yè)組織）、OIT（美國能源部工業(yè)技術(shù)辦公室）聯(lián)合出版了“Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems”，以指南的方式將LCC推薦到泵行業(yè)。指南中詳細列出了LCC費用的組成和說明，并提供了部分費用的計算方法。對于高利用率、長壽命的泵，其最初的購買價格僅占LCC的一小部分。圖2給出了一臺中型工業(yè)泵典型的生命周期成本的大概構(gòu)成。
圖2 - 一臺中型工業(yè)泵典型的LCC圖
API 610標準適用范圍中明確：相關(guān)行業(yè)的運行經(jīng)驗表明，當超過以下任何一種條件時，按本國際標準生產(chǎn)的泵，生命周期成本最低：出口表壓19 bar，入口表壓5 bar；泵送溫度150 ℃；轉(zhuǎn)速3600 r/min；額定揚程120 m；懸臂泵葉輪直徑330 mm。
對于高利用率、長壽命的離心泵（如API泵、火電廠及核電站重要用泵）來說，可靠性越高， LCC越低。
總結(jié)
質(zhì)量與可靠性二者相互影響，相互補充。
如果將價格和效率當作硬幣的兩個面來看待，那么可靠性可以看作硬幣的第三面。
可靠性越高，泵使用壽命越長。
可靠性越高，泵的效率越低。
臨界轉(zhuǎn)速越高，泵的可靠性越高，而效率卻越低。
對于高利用率、長壽命的離心泵來說，可靠性越高， LCC越低。
參考文獻
[1] ANSI/API STANDAED 610 'Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries', ELEVENTH EDITION, SEPTEMBER 2010; ISO 13709: 2009 (Identical)
[2] Igor J. Karassik，可靠性 – 硬幣的第三面，《泵的故障預(yù)測和可靠性譯文集》，沈陽水泵研究所/機械工業(yè)水泵科技情報網(wǎng)
[3] 億博檢測認證，淺談可靠性與質(zhì)量的關(guān)系，sohu.com，2019-08-13
[4] 黃經(jīng)國，大型鍋爐給水泵的可靠性設(shè)計，水泵技術(shù)，1992.1，32-37
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