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维修可靠性工程 可靠性为中心设计

追求更好的水泵是如何(几乎)落空的:第一部分

泵是流体机器,在短距离和/或长距离移动液体。它们早在工业革命之前就被发明了,就连阿基米德(Archimedes)也在大约公元前250年左右,在西西里岛历史名城锡拉库萨(Siracusa)附近的某个地方,摆弄着水泵。没有泵,就不会有现代工艺工厂。但并不是所有的泵都构造良好、维护良好、安装正确或操作正确。虽然一些泵已经连续6年不间断地工作,但其他的泵在一年中继续经历多次随机故障。正如这篇由两部分组成的文章所展示的那样,泵的改进既可以促进职业发展,也可以增加价值。

为什么需要更好的泵

大多数化学过程厂和炼油厂中的泵低于300psig和350°F的操作,即使在这些条件下,厂房的旋转设备的维护费用较高的百分比也进入泵维修。在20世纪80年代后期,符合ANSI B73标准泵的估计维修费用略高于5,000美元,以上众多类似的美国海湾海岸工厂工厂。修复2019年修复平均API 610的炼油厂泵的真正成本被认为远超过15,000美元。此外,对于每1000个泵维修,还有一个昂贵的火灾事件。

早在1972年,计算机记录和简单的故障分析就能识别出机器故障的时间和原因。提高泵的可靠性是公司的动机,当统计显示有重大动机升级他们的泵。石油和天然气公司也有同样的想法,但非正式地比较了他们在类似设备和类似工艺条件下的泵故障频率和维修成本这样的记录很快就产生了一份80页的报告,标题是“如何制造更好的泵”,任何有兴趣阅读它的泵制造商都可以得到这份报告。2该报告最初于1973年发表,解释和评论如下:

  • 尽管,毫无疑问,也有很多例外,在20世纪90年代后期,在北美被认为是维护良好的设施中,标准的美国国家标准协会(ANSI)的泵平均故障间隔(MTBF)只有26个月。整个行业的实际平均水平可能更接近12个月。(注:除非另有说明,MTBF的计算方法是将所有安装泵的数量除以每年的维修次数。此外,每一次部件更换事件都算作一次全面的泵维修。)
  • 尝试纠正泵故障的原因传统上是重点的修复。零件破碎和零件以实物取代。这种古老的风格,无能为力的维护方法被视为适当。鼓励植物购买更好的泵,植物人员被要求在实施可靠性的方法方面取得领先地位。以可靠性为中心的方法,在可行和经济合理的地方提倡系统升级。
  • 允许泵超出ANSI规格的尺寸限制通常被认为是合理的。换句话说,1972年安装的一些ANSI泵可以被性能改进超过当时观察到的液压效率10%的型号所取代。
  • 中型服务中的美国石油研究所(API)泵并不总是具有成本效益的。因此,在为轻度服务选择API泵之前,要求潜在的用户考虑在泵之间购买。建立了ISO和修改的ANSI泵适合该描述。

需要确定某些ANSI泵的典型缺点。一项研究2揭示了以下弱点:

  • 轴偏转通常过度。
  • ANSI B73.1施加的尺寸限制通常不能为现有的高级机械密封提供足够的应用空间,并常常影响最佳效率的实现。
  • 由于目前轴承设计和润滑系统的弱点,轴承寿命比它可能短。
  • 易碎的压力密封装置可能会产生不必要的安全隐患。
  • 平均ANSI设计底板并不总是提供足够的结构完整性和承载能力。3.

然而,一家跨国石油和天然气公司修改了其现有的中型泵非专有的基本实践文件,将新发现纳入其中,并将其称为升级的中型泵(UMD)标准。当被邀请为即将到来的项目提交此类泵的投标时,一些泵制造商部分遵守,但对某些条款或段落提出了异议。只有一家爱荷华州的泵公司超越了仅仅遵守UMD标准。该泵公司的一位关键高管和创新工程师经理看到了泵用户和制造商的机会。4该公司开始开发他们的泵系列,如图1所示,如今,这些泵也可以作为API 610标准泵使用。遗憾的是,没有其他制造商认为适合建造这样的泵;一些令人费解的记录强烈声称ANSI B73和API 610是行业用户曾经需要的全部。

至于开发UMD标准,在API小组委员会的会议上,泵制造商占了上风,泵用户要求更好的泵被否决。今天,UMD泵还没有正式的行业标准。此外,在审查API 610及其各种值得赞扬的条款时,有许多最低建议在最好的一流公司中是不被消息丰富的主题专家所接受的。当受到质疑时,API组织的法律人员很快指出,API 610中的条款是最低要求,而不是强制性要求。如果用户认为适合安装更好的组件,提供更好的适配,利用优越的材料,等等,API的律师指出许多API标准的内页上的措辞。如果需要的话,这种措辞会鼓励用户追求更高的质量。

图1:一个成功的UMD泵(来源:Carver Pumps,Muscatine,Ia)

换句话说,用户可以选择升级,决定权在他们。所以,无知和冷漠的人只在价格上购买;他们经常成为商人合法的猎物,而商人们因向每个人提供甜甜圈和棒球帽而被铭记。

担心过度轴偏转

在20世纪60年代中期,主要石油和天然气公司以可靠性为重点的维护设施开始指定更好的泵。有一家公司决定购买悬垂式叶轮泵,前提是要控制轴的偏转。5其他公司很快也效仿了这一常识性观察,即细长轴泵悬臂式叶轮结构容易产生轴偏转。轴的过度偏转常常导致磨损环、衬套和套筒的内部接触。因此,减少轴偏转将成为1972年后任何新泵设计的关键特征。

可以容易地计算轴偏转量,并且只是L的功能3./ D4,从泵叶轮到最近的轴承和平均轴直径“D”的斜距离“L”。6石油和天然气公司要求L3./ D4比率由卖方规定及披露。这个比率称为轴柔性系数(SFF)。在竞标中,投标人给出的SFF值与最低的可用SFF值或报价SFF值进行比较。对价值较高的报价,给予相当于其投标价格一定百分比的维持评估。7即使基础定价很低,估算成本加法器也可以取消供应商的资格。

轴偏转随流经泵的流体流量的变化而变化。随着泵的输送量的增大或减小,远离最佳效率点,叶轮周围的压力变得不均匀,有可能使转子的叶轮端发生偏转。在带有标准单蜗壳的悬臂式叶轮泵中,这种挠度可以达到严重的量级。因此,鼓励使用扩压器和双蜗壳的壳体。然而,即使是设计最好的套管也不能完全消除压力引起的轴偏转。

图2: UMD泵轴承座,内置油雾重分级器和双面磁密封

图3:最先进的轴承壳保护器密封与动态o型圈,不能接触锋利的边缘表面(来源:AESSEAL Inc., Rotherham, UK and Rockford, TN)

一个单一的蜗壳泵将不能提供令人满意的长期服务,如果运行的太远,远离其最佳效率点是众所周知的。7公司学会了折扣毫无意义的索赔,例如一个制造商的泵模型“A”偏转仅为竞争对手“B”计算的偏转的20%。如果“A的”实际轴偏转仅为0.0001英寸,那么即使在泵“B”中均为0.0005英寸的五倍偏转也不会意义。此观察结果:它涉及营销和广告策略;在这种情况下,“A”和“B”都应被视为可接受的选择。

量子步骤前进于2000年代初进行。从那时起,良好的泵采用耐磨,高性能,非金属,特别是全氟烷氧基碳填充聚合物(PFCP)的广泛使用。虽然这些材料在PTFE系列中,因此与Teflon®有关,但PFCP具有许多优异的特性。

影响泵轴承寿命的因素

不到10%的滚珠轴承长到足够长的时间以屈服于正常的疲劳失败。根据三种着名的轴承制造商,大多数轴承在休眠期出现故障,因为静电过载,磨损,腐蚀,润滑剂发生故障,粒子污染或过热.8滚动元件的滑动可以在没有负荷的轴承操作中发生,并且是常见的原因在角度触点球轴承中安装和运行的故障,镜像取向成对。人们认识到,通过使用匹配的一组轴承和适当的轴配合可以解决这个问题,其中组合地导致安装后略微预加载的状态。

或者,轴承可以购买成套,具有不同的接触角。在主要装载侧设有40度装载角,在次要(通常为卸载侧)设有29度装载角。两个轴承背靠背安装。这些轴承的优越性能是有充分证据的,但在安装过程中,较高的成本和缺乏护理似乎是一些维护文化中不可克服的障碍。这指的是快速修复和低初始成本比教育和坚持工艺质量更重要的地点和情况。否认快速修复/低成本心态的存在可能会导致长期的悲伤。

实际操作表明,更好的轴承规格做法将避免大多数静态过载问题。磨损、腐蚀、污染、润滑剂失效和过热引起的问题可以通过适当的选择、应用和保存润滑剂来预防。采用完全消除油环和恒定液位润滑器的油应用策略可以取得很大的成就(图2)。设计良好的轴承壳密封(图3)代表了另一层保护。

油粘度和水分污染是主要的关注,而较高的粘度润滑剂通常优选,润滑剂粘度大于ISO VG 32的润滑剂粘度不能用严格设计用于工艺泵的墨环适当地施加。9水分污染的不利影响是众所周知的,甚至少量油中的溶解水可以急剧缩短轴承寿命。10、11当自由水从轴承座排出时,大部分损害已经造成。在过去的60年里,许多研究人员记录了这一事实。

轴承:一个永无止境的主题

不同于API推荐的泵轴承,石油化工公司通常指定L10寿命为40000小时,ANSI泵轴承是根据24000小时的预期寿命选择的。名义上,这意味着90%的ANSI泵轴承在大约3年的连续运行后仍然可以使用。然而,故障统计表明,传统润滑的ANSI泵轴承甚至不能接近这种寿命。5缺乏润滑,错误的润滑油,油中的水和污垢以及油底壳中的油环碎片都导致轴承寿命低于预期。可以假定,ANSI泵的其他主要用户的类似发现促使了对终生润滑滚动元件轴承的研究。然而,除了功率输入低于5马力,终生润滑脂润滑通常不被认为是过程泵的一个可行的选择。

通过油雾润滑提供的轴承壳密封处的压差,由污垢和水引起的问题事件已大大减少。(7然而,故障风险可能会因某些规范而升级,包括API 610中的一些规范。

第2部分将触及轴承寿命减少的一些原因,并列出了在准备现代泵规范时应考虑的几种观察结果。

参考文献

  1. Bloch, Heinz P.,《如何选择离心泵供应商》烃加工,1978年6月。
  2. Bloch,Heinz P.,“如何购买更好的泵。”碳氢化合物处理,1982年1月。
  3. Bussemaker,E.J.,“石油和石油化工工业泵的基板的设计方面”。机械工程师学会(IMechE)论文C45/81,页135 - 141。
  4. Bloch,Heinz P.和Johnson,Don,“停机时间提示升级离心泵。”化学工程1985年11月25日。
  5. Bloch, Heinz P.,“离心泵减摩轴承的优化润滑”。赌注78-ASLE-1-D-2,1978年4月。
  6. Bloch, Heinz P.,《离心泵的升级:状态报告》。碳氢化合物处理,1992年2月。
  7. 布洛赫,亨氏P.和布德里斯,艾伦R.,泵用户手册,第4版。Lilburn:Fairmont出版公司,2014年。
  8. Bloch,Heinz P.,机械可靠性的改进。休斯顿:海湾出版公司,1982年。
  9. Bloch,Heinz P.,工业设施实用润滑,第二版。李尔本:费尔蒙出版公司,2009。
  10. Eschmann,保罗;路德维希Hasbargen;卡尔,Weigand滚珠和滚柱轴承。纽约市:约翰·威利父子公司,1985年。
  11. 布洛赫,亨氏P.和盖特纳,机械可靠性评估导论。纽约市:van Nostrand-Reinhold,1990;修订后的第2版,休斯顿:1994年海湾出版公司。