制药过程中冷水泵故障的预防

大型制药厂使用冷水机来维持实验室和整个厂区内生产设施的温度。丧失保持这些设施，尤 其是实验室内最佳温度的能力，可能意味着无法保证生产运行的顺利进行，或者造成数百万元收入的损失，更不用说对新药 发现或设备故障和延迟的影响。

一家售后服务提供商应邀进入药厂对五台水泵进行评估。目标泵被标为14号 至18号，由200马力（HP）的感应电机驱 动（图1）。这些泵根据制冷机的要求单独或并联运行。在评估过程中对15号和18 号泵进行了检测，现场人员报告存在振动振幅升高、气蚀噪声大、叶轮损坏以及轴承和密封寿命缩短等问题。

吸气管道

吸入源是两个冷却塔之间的共用通道。每台泵的吸入口是一个20英寸的管道，在6点钟位置有一个扇形开口，垂直穿过通道（图2）。

有人怀疑，现有的吸入口设计是泵内发生破坏性气蚀的根本原因。

调查

调查从确定目标泵现有液压和机械状态开始。先对泵进行单独测试，接着再并联测试。查验了泵的设计、维护和运行历史记录，并对每台泵和电机以下运行参数进行了测量，包括：

1.排放流量（加仑/分钟）

2.吸入和排出压力（磅/平方英寸表压）

3.温度（华氏度）

4.泵速（每分钟速率）

5.电机电流和电压（交流电压，安培）

6.振动信号 如图3所示，两台泵均在预期水平或接近预期水平下运行，并有足够的净正吸入压头（NPSHA）。

在18号泵上测得，两台泵的未过滤速度振幅峰值均达到或低于0.16英寸/秒 （ips）。但对相关时间波形和光谱的检 查（图4），则有助于对振动能量的组成 一窥究竟。

图4所示的频谱显示，时间波形中的噪声底部和随机冲击明显升高，两者都表明液压不稳定。

NPSHA、NPSHR和泵深的技术

讨论 NPSHA是指以英尺为单位的流体的总吸入压头（在泵中心线处为绝对值）减去蒸汽压力。所需净正吸入压头（NPSHR）由泵制造商确定，是包括叶轮孔眼设计、流量、轴转速在内的几个因素的函数。在所有运行条件下，NPSHA 必须超过NPSHR。

泵深是指为防止表面和地下涡流、 过大流量造成的再次涡流等所需的最小进水口或吸入深度。

人们认为这些装置的NPSHA和 NPSHR水平是足够的，且在可接受的10% 至35%偏差范围内。但18号泵的泵深不足，在进口处观察到了表面涡流，如图5 所示。涡流会导致空气进入叶轮孔并产生气穴。

气蚀或吸入再循环

当流体的绝对压力低于叶轮或泵壳内的蒸汽压力时，就会产生气穴。空化气泡被扫过叶轮（或壳体），进入气泡迅速内爆的较高压力状态。能量释放表现为噪音（爆裂声或爆炸声），液压冲击足以使受冲击材料疲劳，从而损坏泵部件。随着时间的推移，释放的液压能量会对密封 件、叶轮、壳体、轴和轴承造成损坏， 损害其完整性并降低平均故障间隔时间 （MTBF）。

汽蚀余量不足会导致吸入再循环增加，引发因伴随汽蚀而来的二次流逆转， 或在叶轮孔内形成涡流，从而进一步加剧汽蚀余量不足的问题。当进水角或流量角与泵叶片进口角之间的差超过给定叶轮设计的临界值时，可能会发生流量分离。

吸入比转速（NSS）是描述吸入能力和叶轮特性的水力设计指标。叶轮按照 NSS高于约8500的水平设计时，对流速高于或低于最佳效率点（BEP）的运行特别敏感，并且容易受到吸入再循环的影响。 这种情况比较容易发生在冷水中（在60 F 以下的水中释放的气蚀能量明显大于热水气蚀）。在这种情况下，受试泵的NSS为 10500，且在非BEP运行期间，吸入再循环损伤的倾向有所增加。

结论

两台泵都在或接近预期的液压水平运行，且所测得的振动振幅均在该类泵可接受的范围内。但频谱和时间波形显示出明显的水力异常。

当18号泵与15号泵并联运行时，观察到18号泵（图5）入口产生表面涡流，表明18号泵的泵深小于15号泵，原因在于18 号泵位于通道中间。可以合理地假设，随着有更多的泵与18号泵并联运行，表面和地下涡流产生的频率都会更高，因此问题也会变得更大。轴承和密封件MTBF的缩短可归因于吸入流不稳定和气蚀而导致报告的振动振幅显著升高。

建议

考虑到所有上述因素，售后服务提供商建议对进水口进行水力研究，以研究通过增加现有水池范围内的泵深来优化进水口水池和泵的吸入流量。

作者：John Marchi