管道式離心泵葉輪靜平衡檢測(cè)技術(shù)

一、檢測(cè)原理

葉輪靜平衡檢測(cè)的核心原理是基于剛性轉(zhuǎn)子靜平衡理論。當(dāng)葉輪存在質(zhì)量分布不均時(shí)，其重心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)的不平衡量。該不平衡量在靜止?fàn)顟B(tài)下即表現(xiàn)為一個(gè)重側(cè)始終自動(dòng)轉(zhuǎn)向鉛垂線下方趨勢(shì)。依據(jù)靜力學(xué)原理，此不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力與在平衡平面上添加或去除的配重所產(chǎn)生的離心力大小相等、方向相反時(shí)，轉(zhuǎn)子即可達(dá)到靜平衡狀態(tài)。

其科學(xué)依據(jù)為動(dòng)量矩定理，不平衡質(zhì)量 *m* 位于半徑 *r* 處產(chǎn)生的離心力 F = *m* * ω² * *r* (ω為旋轉(zhuǎn)角速度)。在靜平衡檢測(cè)中，雖不涉及高速旋轉(zhuǎn)，但其檢測(cè)目標(biāo)正是消除在低速或靜止?fàn)顟B(tài)下即可識(shí)別的、會(huì)導(dǎo)致離心力矢量和不為零的不平衡質(zhì)量分布。通過檢測(cè)確定不平衡量的大小和相位，并通過配重或去重進(jìn)行校正，確保葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)和噪聲小化，運(yùn)行平穩(wěn)。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

葉輪靜平衡檢測(cè)項(xiàng)目可系統(tǒng)分類如下：

1. 初始不平衡量檢測(cè)： 對(duì)新制造或修復(fù)后的葉輪，在未進(jìn)行任何平衡校正前進(jìn)行的首次檢測(cè)，以確定其原始不平衡狀態(tài)。

2. 校正后驗(yàn)證檢測(cè)： 在完成不平衡校正（如焊接配重、鉆孔去重）后，對(duì)葉輪進(jìn)行的復(fù)檢，旨在驗(yàn)證校正效果是否滿足允差要求。

3. 單平面靜平衡檢測(cè)： 適用于寬徑比（B/D）較小的盤狀葉輪，其不平衡量可視為在一個(gè)單一的校正平面內(nèi)進(jìn)行測(cè)量和校正。這是管道離心泵葉輪常用的檢測(cè)類型。

4. 雙平面靜平衡檢測(cè)（準(zhǔn)靜平衡）： 對(duì)于寬徑比較大或雖滿足靜平衡條件但需更高精度要求的葉輪，有時(shí)會(huì)采用在兩個(gè)校正平面上進(jìn)行檢測(cè)和校正的方法，其本質(zhì)是動(dòng)平衡的簡(jiǎn)化形式，但在低速下進(jìn)行，主要分離兩平面的靜態(tài)不平衡分量。

5. 使用后磨損不平衡檢測(cè)： 針對(duì)在役運(yùn)行一段時(shí)間后，因介質(zhì)腐蝕、磨蝕、結(jié)垢或局部損壞導(dǎo)致質(zhì)量分布變化的葉輪進(jìn)行的檢測(cè)，以評(píng)估其平衡狀態(tài)是否惡化。

三、檢測(cè)范圍

管道式離心泵葉輪靜平衡檢測(cè)廣泛應(yīng)用于所有依賴其進(jìn)行流體輸送的工業(yè)領(lǐng)域，具體要求因行業(yè)特點(diǎn)和運(yùn)行工況的嚴(yán)苛程度而異：

• 市政水務(wù)： 供水及排水泵站葉輪，要求穩(wěn)定可靠，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)遵循通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)效率和平穩(wěn)性有持續(xù)要求。

• 電力工業(yè)： 電廠循環(huán)水泵、補(bǔ)給水泵等葉輪，要求高可靠性，檢測(cè)允差通常更為嚴(yán)格，以防止對(duì)大型發(fā)電機(jī)組運(yùn)行造成任何潛在干擾。

• 石油化工： 各類流程泵、進(jìn)料泵葉輪，介質(zhì)常具腐蝕性、易燃易爆性，對(duì)葉輪平衡精度要求極高，以防止密封失效、軸承損壞等惡性事故。需考慮介質(zhì)附著對(duì)平衡的影響。

• 化學(xué)工業(yè)： 與石化領(lǐng)域類似，且常輸送含有固體顆粒的漿液，葉輪磨蝕嚴(yán)重，需定期進(jìn)行不平衡檢測(cè)與校正。

• ** HVAC與建筑暖通：** 空調(diào)循環(huán)水泵葉輪，主要關(guān)注低噪聲、低振動(dòng)運(yùn)行，以滿足建筑環(huán)境要求。

• 采礦與冶金： 渣漿泵、循環(huán)水泵葉輪，工作環(huán)境惡劣，葉輪磨損快，不平衡檢測(cè)是定期維護(hù)的關(guān)鍵項(xiàng)目。

• 船舶工業(yè)： 船用離心泵葉輪，需考慮船舶搖擺工況下的影響，對(duì)平衡的穩(wěn)定性和可靠性要求嚴(yán)格。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)葉輪平衡精度進(jìn)行了分級(jí)規(guī)定，核心是確定許用剩余不平衡量 e_per 或許用不平衡力矩。

• 標(biāo)準(zhǔn)：

  • ISO 1940-1: 《機(jī)械振動(dòng) - 轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量要求 - 第1部分：剛性轉(zhuǎn)子平衡允差的確定與驗(yàn)證》。該標(biāo)準(zhǔn)是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，它根據(jù)轉(zhuǎn)子類型（G等級(jí)）來規(guī)定平衡精度。例如，常見的水泵葉輪通常適用于G6.3級(jí)，高速或高要求泵可能要求G2.5級(jí)。計(jì)算公式為：e_per = (G * 1000) / (ω)，
    其中 G 為平衡精度等級(jí)（mm/s），ω 為葉輪大工作角速度（rad/s）。

  • API 610: 《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》，其對(duì)葉輪平衡的要求比ISO標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，通常要求做雙面動(dòng)平衡，但對(duì)于某些結(jié)構(gòu)仍認(rèn)可精密的靜平衡，并規(guī)定了更小的振動(dòng)允差，間接要求了更高的平衡等級(jí)。

• 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T 9239.1: 《機(jī)械振動(dòng) 轉(zhuǎn)子平衡 第1部分：剛性轉(zhuǎn)子平衡允差的確定與驗(yàn)證》（等同采用ISO 1940-1）。技術(shù)內(nèi)容與ISO 1940-1完全一致。

  • JB/T 8091: 《泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》，其中對(duì)振動(dòng)烈度的限值要求，隱含了對(duì)葉輪平衡精度的要求。

  • GB/T 5656: 《離心泵 技術(shù)條件（Ⅱ類）》，對(duì)泵的振動(dòng)和噪聲提出了要求，其實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)之一即是葉輪的平衡質(zhì)量。

對(duì)比分析：
ISO 1940-1 / GB/T 9239.1 提供了普適性的、基于轉(zhuǎn)子類型和轉(zhuǎn)速的等級(jí)劃分，應(yīng)用為廣泛。API 610 作為行業(yè)專用標(biāo)準(zhǔn)，其要求通常高于通用標(biāo)準(zhǔn)，尤其在石油化工等高風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域。在實(shí)際操作中，應(yīng)遵循設(shè)備技術(shù)協(xié)議或產(chǎn)品圖紙指定的標(biāo)準(zhǔn)，若無指定，則優(yōu)先采用ISO 1940-1或GB/T 9239.1進(jìn)行等級(jí)判定。

五、檢測(cè)方法

主要方法：平行導(dǎo)軌式靜平衡法

1. 操作要點(diǎn)：

   • 準(zhǔn)備工作： 清潔葉輪，特別是軸孔、流道內(nèi)的異物。準(zhǔn)備好心軸（平衡芯軸），其精度直接影響檢測(cè)結(jié)果，心軸本身需先進(jìn)行平衡校正。

   • 安裝葉輪： 將葉輪小心地裝配到心軸上，確保無松動(dòng)。然后將心軸兩端輕放于已調(diào)至水平的平行導(dǎo)軌上。

   • 尋找不平衡相位： 輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪，待其自然靜止后，在正下方（）用粉筆做標(biāo)記。重復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)次，若標(biāo)記點(diǎn)總停留在同一區(qū)域，則該區(qū)域即為不平衡質(zhì)量所在的相位。

   • 確定不平衡量： 在輕點(diǎn)（與相差180°）的校正半徑上試加配重（如橡皮泥）。再次轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪，通過調(diào)整配重質(zhì)量或位置，直至葉輪能在任意位置均保持靜止，即達(dá)到“隨遇平衡”狀態(tài)。

   • 校正： 根據(jù)試加配重的質(zhì)量和位置，在葉輪相應(yīng)位置進(jìn)行永久性校正。方式包括：焊接平衡塊、在重側(cè)鉆孔去重（需考慮去重對(duì)強(qiáng)度的影響）或使用螺紋連接配重。

   • 驗(yàn)證： 完成校正后，再次將葉輪置于導(dǎo)軌上復(fù)檢，確認(rèn)其剩余不平衡量滿足允差要求。

2. 其他方法：

   • 球面軸承平衡臺(tái)法： 原理同導(dǎo)軌法，但支撐為刀口或球面軸承，摩擦力更小，靈敏度更高，適用于較小尺寸的葉輪。

   • 電子式靜平衡機(jī)法： 采用傳感器測(cè)量因不平衡導(dǎo)致的微小力或位移，直接顯示不平衡量的大小和相位，精度和效率高，適用于批量生產(chǎn)。

六、檢測(cè)儀器

1. 平行導(dǎo)軌式靜平衡架：

   • 技術(shù)特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，維護(hù)方便。核心部件是兩根經(jīng)過淬火硬化、表面精度極高的鋼制導(dǎo)軌。導(dǎo)軌的平直度和水平調(diào)整精度是關(guān)鍵。其靈敏度受限于導(dǎo)軌與心軸之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

   • 適用性： 適用于重量適中、寬徑比小的盤類轉(zhuǎn)子，是水泵葉輪靜平衡傳統(tǒng)和常用的設(shè)備。

2. 球面支承式/刀口式靜平衡架：

   • 技術(shù)特點(diǎn)： 采用V形刀口或球面軸承作為支撐，接觸面積小，摩擦力較平行導(dǎo)軌更低，因而靈敏度更高。

   • 適用性： 適用于小型、輕量化轉(zhuǎn)子的精密靜平衡。

3. 電子式靜平衡機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)： 集成了精密位移傳感器或力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分析軟件。能夠自動(dòng)、快速地測(cè)量并直接數(shù)字顯示不平衡量的大小和角度。具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印和合格判定功能。精度遠(yuǎn)高于機(jī)械式方法。

   • 適用性： 適用于生產(chǎn)線上對(duì)平衡精度和效率要求高的場(chǎng)合。

七、結(jié)果分析

1. 分析方法：

   • 剩余不平衡量計(jì)算： 校正后，葉輪的剩余不平衡量 U_res (g·mm) 應(yīng)小于或等于許用剩余不平衡量 U_per。
     U_per 可通過標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算：U_per = (e_per * M)，
     其中 M 為葉輪質(zhì)量（kg），e_per 為許用剩余不平衡度（g·mm/kg 或 μm），可從標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)（如G6.3）和葉輪工作轉(zhuǎn)速查得或計(jì)算得出。

   • 不平衡量矢量分解： 對(duì)于雙平面檢測(cè)，需將測(cè)量得到的不平衡量分解到兩個(gè)選定的校正平面上，并分別進(jìn)行評(píng)判。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 合格： 葉輪的剩余不平衡量 U_res ≤ U_per。此為基本且必須滿足的條件。

   • 超差需再校正： 若 U_res > U_per，則需根據(jù)平衡機(jī)指示或手動(dòng)計(jì)算的相位和大小，進(jìn)行再次校正，直至合格。

   • 質(zhì)量分布評(píng)估： 若初始不平衡量遠(yuǎn)大于預(yù)期，可能預(yù)示著葉輪存在鑄造缺陷、嚴(yán)重加工誤差或結(jié)構(gòu)性損傷（如葉片缺失、嚴(yán)重腐蝕），此時(shí)需結(jié)合外觀檢查，判斷葉輪是否可修復(fù)或應(yīng)報(bào)廢。

   • 與振動(dòng)關(guān)聯(lián)分析： 終的平衡效果應(yīng)通過泵組的運(yùn)行時(shí)振動(dòng)值來驗(yàn)證。若平衡合格但振動(dòng)仍超標(biāo)，需排查軸承、對(duì)中、氣蝕等其他故障源。