船用立式串并聯(lián)離心泵部分參數(shù)檢測(cè)技術(shù)研究

一、 檢測(cè)原理

船用立式串并聯(lián)離心泵的檢測(cè)基于流體力學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)及電工學(xué)等多學(xué)科原理。

1. 性能參數(shù)檢測(cè)原理：

   • 流量：主要采用節(jié)流差壓法（如孔板、文丘里管）、電磁感應(yīng)法（電磁流量計(jì)）或超聲波時(shí)差法。其科學(xué)依據(jù)分別是伯努利方程、法拉第電磁感應(yīng)定律以及超聲波在流體中順流與逆流傳播的速度差。

   • 揚(yáng)程：通過(guò)測(cè)量泵進(jìn)口和出口法蘭取壓點(diǎn)處的壓力（表壓或真空度），結(jié)合液柱高度差、流體密度及流速水頭差，依據(jù)泵揚(yáng)程定義公式（H = (P_out - P_in)/ρg + ΔZ + (v_out² - v_in²)/2g）計(jì)算得出。

   • 軸功率：通常采用扭矩儀直接測(cè)量泵軸的扭矩（T）和轉(zhuǎn)速（n），依據(jù)公式P_shaft = 2πnT / 60計(jì)算?；虿捎秒娔芊ǎㄟ^(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入電功率，結(jié)合電機(jī)效率曲線推算軸功率。

   • 轉(zhuǎn)速：采用磁電式、光電式或激光轉(zhuǎn)速傳感器，通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)部件上標(biāo)記點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的次數(shù)來(lái)確定。

   • 汽蝕余量（NPSH）：通過(guò)逐步降低泵進(jìn)口壓力（如在閉式試驗(yàn)臺(tái)中節(jié)流進(jìn)口），直至泵揚(yáng)程下降一定值（通常為3%），此時(shí)測(cè)得的泵進(jìn)口處總水頭（絕對(duì)壓力水頭）減去液體汽化壓力水頭，即為必需汽蝕余量（NPSHr）。其原理是模擬泵內(nèi)低壓力點(diǎn)達(dá)到液體汽化壓力時(shí)發(fā)生汽蝕的臨界狀態(tài)。

2. 機(jī)械性能檢測(cè)原理：

   • 振動(dòng)：依據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論，使用加速度傳感器測(cè)量泵軸承或殼體特定點(diǎn)的振動(dòng)速度或加速度有效值，分析其頻譜以判斷轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、軸承磨損等故障。

   • 噪聲：依據(jù)聲學(xué)原理，使用聲級(jí)計(jì)在特定距離和方位測(cè)量泵輻射的空氣噪聲聲壓級(jí)，分析其頻率成分以識(shí)別噪聲源。

   • 軸承溫度：基于熱平衡原理，使用鉑電阻或熱電偶接觸式測(cè)量軸承座外表面溫度，間接反映軸承內(nèi)部潤(rùn)滑與摩擦狀態(tài)。

3. 材料與無(wú)損檢測(cè)原理：

   • 材質(zhì)成分：采用光譜分析原理，通過(guò)激發(fā)材料原子并檢測(cè)其發(fā)射的特征譜線進(jìn)行定性定量分析。

   • 無(wú)損探傷：如超聲波探傷利用超聲波在材料內(nèi)部缺陷處的反射、折射；滲透探傷利用毛細(xì)作用顯示表面開口缺陷；磁粉探傷利用漏磁場(chǎng)吸附磁粉顯示表面及近表面缺陷。

二、 檢測(cè)項(xiàng)目

船用立式串并聯(lián)離心泵的檢測(cè)項(xiàng)目需系統(tǒng)性地覆蓋其性能、機(jī)械完整性與環(huán)境適應(yīng)性。

1. 型式試驗(yàn)項(xiàng)目（用于產(chǎn)品定型或全面質(zhì)量考核）：

   • 性能試驗(yàn)：揚(yáng)程-流量曲線、軸功率-流量曲線、效率-流量曲線、汽蝕余量-流量曲線。

   • 運(yùn)行試驗(yàn)：在規(guī)定工況下進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，考核其可靠性、穩(wěn)定性及溫升。

   • 噪聲與振動(dòng)試驗(yàn)：在多個(gè)工況點(diǎn)測(cè)量泵的噪聲值和振動(dòng)烈度。

   • 耐壓試驗(yàn)：承壓零件（如泵殼、導(dǎo)葉體）的靜水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證其強(qiáng)度和密封性。

   • 串并聯(lián)特性試驗(yàn)：驗(yàn)證多臺(tái)泵在串聯(lián)（以獲得更高揚(yáng)程）或并聯(lián)（以獲得更大流量）運(yùn)行時(shí)的綜合性能曲線及相互影響。

2. 出廠試驗(yàn)項(xiàng)目（每臺(tái)泵均需進(jìn)行）：

   • 運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)：檢查泵的起動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)性、有無(wú)異常聲響及泄漏。

   • 性能抽檢試驗(yàn)：至少在一個(gè)工況點(diǎn)（通常為額定點(diǎn)）驗(yàn)證揚(yáng)程、流量、軸功率和效率。

   • 密封性試驗(yàn)：檢查機(jī)械密封或填料函的泄漏情況。

   • 耐壓試驗(yàn)：同型式試驗(yàn)。

3. 在線監(jiān)測(cè)與診斷項(xiàng)目（船舶運(yùn)行期間）：

   • 狀態(tài)監(jiān)測(cè)：軸承溫度、振動(dòng)烈度、出口壓力、進(jìn)口真空度、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)或定期監(jiān)測(cè)。

   • 故障診斷：基于振動(dòng)頻譜分析、噪聲分析、性能參數(shù)趨勢(shì)分析等手段，識(shí)別潛在故障。

三、 檢測(cè)范圍

船用立式串并聯(lián)離心泵的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，檢測(cè)范圍需覆蓋各行業(yè)的特殊要求。

1. 船舶動(dòng)力系統(tǒng)：

   • 主機(jī)冷卻水泵：檢測(cè)其在高低溫循環(huán)下的穩(wěn)定性、抗汽蝕性能及與主機(jī)的匹配性。

   • 缸套冷卻水泵：關(guān)注恒壓或恒流量控制精度及可靠性。

2. 船舶輔助系統(tǒng)：

   • 消防泵：除性能外，需嚴(yán)格檢測(cè)其快速啟動(dòng)能力、應(yīng)急供電下的運(yùn)行狀況及密封可靠性。

   • 艙底泵/壓載泵：關(guān)注其自吸性能（若適用）、處理含雜質(zhì)介質(zhì)的能力及耐腐蝕性。

   • 通用服務(wù)泵：按常規(guī)要求檢測(cè)。

3. 液貨運(yùn)輸系統(tǒng)（如油船、化學(xué)品船）：

   • 貨油泵/卸貨泵：檢測(cè)范圍需擴(kuò)展至泵送特定介質(zhì)（如原油、化學(xué)品）時(shí)的性能變化、材料相容性及防爆安全性。

   • 掃艙泵：關(guān)注其在小流量、高揚(yáng)程工況下的性能及可靠性。

4. 特種船舶系統(tǒng)（如LNG船、科考船）：

   • 低溫泵：檢測(cè)在超低溫介質(zhì)下的材料低溫韌性、軸承冷卻及保冷性能。

   • 深潛器泵：關(guān)注其耐高壓、低噪聲、高可靠性等特殊指標(biāo)。

四、 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系為檢測(cè)提供了規(guī)范性依據(jù)。

1. 及國(guó)外主要標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 5198：離心泵技術(shù)規(guī)范。

   • ISO 9905：回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)。

   • API 610：石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵（要求更為嚴(yán)苛，尤其適用于關(guān)鍵工況）。

   • ABS, DNV, LR等船級(jí)社規(guī)范：對(duì)用于入級(jí)船舶的泵，提出了特定的材料、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和認(rèn)證要求。

2. 國(guó)內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB/T 3215：石油、重化學(xué)和天然氣工業(yè)用離心泵。

   • GB/T 3216：回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)（等同采用ISO 9905）。

   • GB/T 5656：離心泵 技術(shù)條件(Ⅱ類)。

   • CB/T 標(biāo)準(zhǔn)系列：中國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)各類船用泵提出具體技術(shù)要求。

   • CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》：中國(guó)船級(jí)社對(duì)船用設(shè)備的強(qiáng)制性規(guī)定。

3. 對(duì)比分析：

   • 嚴(yán)格程度：API 610通常為嚴(yán)格，其次是各船級(jí)社規(guī)范，然后是ISO/GB的1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)。

   • 側(cè)：API和船級(jí)社規(guī)范更側(cè)重于可靠性、安全性和材料；ISO/GB系列更側(cè)重于水力性能的準(zhǔn)確評(píng)定。

   • 應(yīng)用領(lǐng)域：商用船舶多采用ISO/GB標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合船級(jí)社規(guī)范；海洋工程、液貨船關(guān)鍵泵常要求符合API 610。

五、 檢測(cè)方法

1. 開式試驗(yàn)臺(tái)與閉式試驗(yàn)臺(tái)：

   • 開式臺(tái)：水由水池吸入，排回水池。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于大流量泵，但汽蝕試驗(yàn)不易控制。

   • 閉式臺(tái)：水在密閉回路中循環(huán)。便于調(diào)節(jié)溫度、壓力，尤其適合進(jìn)行精確的汽蝕試驗(yàn)，是主流的高精度測(cè)試方法。

2. 操作要點(diǎn)：

   • 儀表校準(zhǔn)：所有傳感器、儀表必須在有效檢定周期內(nèi)，并在試驗(yàn)前后進(jìn)行零點(diǎn)等檢查。

   • 工況穩(wěn)定：每個(gè)工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集必須在流量、壓力、溫度等參數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行。

   • 測(cè)點(diǎn)布置：壓力、溫度測(cè)點(diǎn)需位于直管段，滿足前10D后5D（D為管徑）的要求，以避免流動(dòng)擾動(dòng)。

   • 數(shù)據(jù)同步：所有參數(shù)應(yīng)盡可能同步采集，以消除工況波動(dòng)帶來(lái)的誤差。

   • 串并聯(lián)試驗(yàn)：需預(yù)先規(guī)劃運(yùn)行邏輯，依次測(cè)試單泵性能、并聯(lián)運(yùn)行性能（同揚(yáng)程下流量疊加）、串聯(lián)運(yùn)行性能（同流量下?lián)P程疊加），并注意相互干擾。

六、 檢測(cè)儀器

1. 流量測(cè)量：

   • 電磁流量計(jì)：精度高，無(wú)壓損，適用于導(dǎo)電液體，需保證滿管流和足夠直管段。

   • 超聲波流量計(jì)：外夾式，安裝方便，不破壞管路，對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性廣，但對(duì)管壁狀況和流體狀態(tài)敏感。

   • 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠耐用，但有永久壓力損失，需配套高精度差壓變送器。

2. 壓力測(cè)量：

   • 壓力變送器/傳感器：采用壓阻、電容、硅諧振等原理，精度高，響應(yīng)快，可輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。需注意量程、過(guò)載能力和介質(zhì)兼容性。

3. 功率與扭矩測(cè)量：

   • 扭矩儀/測(cè)功機(jī)：可直接、精確測(cè)量軸功率，是性能試驗(yàn)的首選。有相位差式（磁彈式）、應(yīng)變片式等。

   • 電能分析儀：通過(guò)測(cè)量電機(jī)輸入電參數(shù)間接計(jì)算，精度受電機(jī)效率曲線精度影響，但安裝便捷。

4. 振動(dòng)與噪聲測(cè)量：

   • 振動(dòng)分析儀：集成加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和分析軟件，可測(cè)量振動(dòng)總值并進(jìn)行頻譜分析。

   • 聲級(jí)計(jì)：需符合IEC 61672標(biāo)準(zhǔn)，配備防風(fēng)罩，在背景噪聲滿足要求的半自由聲場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量。

5. 其他儀器：

   • 轉(zhuǎn)速表/編碼器：用于精確測(cè)量泵軸轉(zhuǎn)速。

   • 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：用于同步、高速、多通道地采集和處理所有傳感器信號(hào)。

七、 結(jié)果分析

1. 性能曲線分析：

   • 比對(duì)法：將實(shí)測(cè)的H-Q、P-Q、η-Q曲線與設(shè)計(jì)曲線、合同保證值或標(biāo)準(zhǔn)允差帶進(jìn)行比對(duì)。

   • 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：通常標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 3216）規(guī)定，在額定流量點(diǎn)，揚(yáng)程允差為-0%~+?%（具體百分比依標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)而定），效率允差為-0%~ -?%。整個(gè)工作范圍內(nèi)的曲線形狀也應(yīng)符合預(yù)期。

   • 異常分析：揚(yáng)程偏低可能源于葉輪磨損、口環(huán)間隙過(guò)大；功率偏高可能源于機(jī)械摩擦、介質(zhì)密度粘度偏大；效率偏低需綜合揚(yáng)程和功率分析。

2. 汽蝕性能分析：

   • 臨界點(diǎn)判定：確定揚(yáng)程下降3%（或其它約定值）時(shí)對(duì)應(yīng)的NPSH值，即為NPSHr。

   • 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：NPSHr應(yīng)小于裝置的有效汽蝕余量（NPSHa）并留有足夠安全裕量（通常0.5~1.0米以上）。

3. 機(jī)械狀態(tài)分析：

   • 振動(dòng)評(píng)判：參照ISO 10816或GB/T 29531等標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)泵的功率、轉(zhuǎn)速、支撐類型劃分振動(dòng)烈度等級(jí)，評(píng)判從“良好”到“不可接受”的狀態(tài)。

   • 頻譜分析：識(shí)別特征頻率（如轉(zhuǎn)頻、葉頻、軸承通過(guò)頻率），用于故障定位。例如，轉(zhuǎn)頻峰值高常指示不平衡；2倍轉(zhuǎn)頻峰值高常指示不對(duì)中。

   • 溫度評(píng)判：軸承溫度一般不應(yīng)超過(guò)環(huán)境溫度+40℃，且絕對(duì)溫度不應(yīng)超過(guò)制造商規(guī)定值（如80℃或90℃）。

4. 綜合診斷：將性能參數(shù)的變化趨勢(shì)與機(jī)械振動(dòng)、溫度等狀態(tài)參數(shù)相結(jié)合，進(jìn)行綜合診斷，預(yù)測(cè)剩余壽命，制定視情維修策略。例如，效率緩慢下降伴隨振動(dòng)增大，可能預(yù)示著流道腐蝕與軸承磨損的復(fù)合故障。