遠心ポンプの動作における一般的な故障、原因、および解決策

遠心ポンプは工業プロセスで最も広く使用されている回転装置の 1 つで、石油化学、発電から冶金、都市の給水から農業灌漑に至るまで、ほぼあらゆる場所で使用されています。しかし、多くのポンプは設計寿命に達しません。{1}標準的な遠心ポンプは、最適効率点近くで動作し、適切にメンテナンスされていれば 15 ～ 20 年、場合によっては 25 年以上使用できます。実際には、多くの遠心ポンプが早期に故障し、頻繁な修理が必要となり、計画外のダウンタイムにより重大な生産損失が発生します。

この論文は、遠心ポンプの動作における一般的な故障を系統的に特定し、そのメカニズム、故障経路、破壊的特性を分析し、API 610 などの規格やエンジニアリング実践に基づいて、設計の選択、動作/保守から状態監視に至るまでの完全なライフサイクル管理戦略を提案します。この文書は、機器管理者が隠れた故障の兆候を特定し、予知保全システムを確立し、遠心ポンプの耐用年数を根本的に延長し、ユニットの信頼性を向上させるのに役立つことを目的としています。

 

 

• ラジアル力とシャフトのたわみ

ラジアル力は、インペラが設計条件外で動作したときにポンプ シャフトに作用する合成横力です。ポンプが最適効率点 (BEP) から逸脱すると、ボリュート内の圧力分布が不均一になり、インペラの周囲の圧力が非対称になり、特定の方向を向くラジアル力が発生します。この力の大きさは流量によって変化します。流量が低いほど、ラジアル力は大きくなります。流量が高くなるほど、ラジアル力は大きくなります。 BEP でのみラジアル力が最小になります。

 

放射状の力の危険性は、その「隠れた」性質にあります。ラジアル力の影響により、ポンプ停止時には完全に真っ直ぐだったポンプシャフトが動作中に曲がる場合があります。停止すると、シャフトは真っ直ぐな位置に戻ります。これは、従来の静的位置合わせチェックでは問題を検出できないことを意味します。 3,550 rpm で動作するポンプ シャフトは、1 分間に 7,100 回、1 時間に 426,000 回、年間で 37 億回以上曲がります (たわみます)。この高周波の交番応力は、メカニカル シールの故障やベアリングの早期故障の根本原因です。シャフトのたわみを引き起こす高い半径方向の力により、シール面の接触を維持することが困難になり、シールに必要な流体層が破壊されます。同時に、ラジアルベアリングに過負荷がかかり、ベアリングの寿命はミスアライメントに指数関数的に関係します。1.5 mm のミスアライメントは 3 ～ 5 か月以内にベアリングの故障を引き起こしますが、0.025 mm のミスアライメントでは同じベアリングを 90 か月間以上動作させることができます。

 

解決策:BEP (境界効果点) 付近で遠心ポンプを動作させることが、半径方向の力を制御するための主な原理です。インペラの幅は、ラジアル力に影響を与える主な要素の 1 つです。インペラが広いほど、ラジアル力は大きくなります。合理的なボリュート形状と十分なシャフト直径を選択すると、設計を通じてラジアル方向の力を軽減できます。すでに運転中のポンプについては、最小流量以下での長時間の運転は避けてください。

 

• キャビテーション

ポンプ入口またはインペラブレード入口付近の局所的な絶対圧力が、その温度での液体の飽和蒸気圧を下回ると、液体が蒸発し、多数の小さな蒸気泡が形成されます。これらの気泡は液体の流れによって高圧ゾーンに運ばれ、急速に崩壊または「爆縮」し、局所的な圧力が最大 49 MPa に達する高周波（600 ～ 25,000 Hz）の衝撃波を生成します。-この衝撃が金属表面に繰り返し作用し、機械的侵食を引き起こします。同時に、気化熱によって発生する化学腐食が損傷をさらに悪化させます。また、キャビテーションはインペラ内のエネルギー交換を妨げ、Q-H、Q-P、Q-η 曲線の総合的な低下につながり、ひどい場合には液体の流れが遮断されてポンプが動作不能になることさえあります。

 

キャビテーションにはさまざまな種類があります。最も一般的なのは蒸発キャビテーション (NPSHa 欠損型) で、流体がインペラ入口を通過する際に速度が増加し、圧力が低下することで液体が沸騰して蒸発します。乱流キャビテーションは、パイプライン内の曲がりやバルブなどのコンポーネントによって生成される渦や圧力差によって発生します。ブレードシンドロームキャビテーションは、インペラとポンプケーシングの間の隙間が小さすぎる場合に発生し、その結果、流速が急激に増加し、圧力が低下します。ポンプ出口バルブが閉じている場合、または流量が低すぎる場合、内部再循環キャビテーションが発生し、流体がインペラの周りを循環し、熱と気泡が発生します。さらに、バルブの欠陥や接続の緩みを通じてポンプに空気が流入すると、空気同伴キャビテーションが発生する可能性があります。

 

遠心ポンプでキャビテーションが最も発生しやすい領域は次のとおりです。インペラの曲率が最も大きいフロント カバー プレート、ブレード入口エッジ付近の低圧側、吐出室のボリュート タング、ガイド ベーン入口エッジの低圧側-です。

 

解決策:システムの正味正味吸引ヘッド (NPSHA) が常に必要な正味正味吸引ヘッド (NPSHR) よりも大きいことを確認してください。一般に、少なくとも 0.5 ～ 1.0 m のマージンを持つことが推奨されます。キャビテーション耐性の改善には 2 つの側面からアプローチできます。1 つは、ポンプの設計自体を改善することです。つまり、流れ面積を増やし、インペラ カバー プレート入口セクションの曲率半径を大きくし、前面に取り付けられたインデューサまたはダブルサクション インペラを使用します。-第二に、システム条件の改善です。上流のリザーバの液面圧力の増加、ポンプの設置高さの削減、上部吸引から逆流への変更、パイプライン損失の削減などです。

 

• 振動

振動源は主に次の種類に分類できます。

1. モーター-関連の問題:ローターの偏心や曲がりにより、静的および動的バランスが過剰になります。壊れたかごのバーは磁場のアンバランスを引き起こします。固定子巻線抵抗のバランスが崩れると、不均一な電磁力が発生します。
2. 財団とサポート:基礎が緩い、または基礎が柔軟であると、拘束の剛性が低下します。アンカーボルトが緩んでいると振動が悪化します。
3. カップリング:不均一なボルト間隔、偏心した延長セクション、不十分な静的および動的バランス、不適切なはめあいクリアランスなど。
4. インペラ: 鋳造または機械加工の品質が標準以下であると偏心が発生します。流路の腐食により偏心が発生します。摩耗リングが摩耗すると、摩擦が増加します。
5. シャフトシステム:シャフトの剛性が不十分で、たわみが大きすぎる。過剰なバランスディスククリアランスまたは不適切な軸方向の動き。
6. 動作条件:設計条件から逸脱すると、ラジアル力が増加します。不適切な選択または並列接続の不一致。
7. ベアリングと潤滑：ベアリングの剛性不足、クリアランス過大、潤滑不良。

 

さらに、流体自体も振動の発生源です。ガイドベーンやインペラ前縁に影響を与える水流、ポンプ本体内の圧力脈動、キャビテーションなどはすべて振動を誘発する可能性があります。過度の振動は、ローター-ステーターの摩擦や焼き付き、シャフト シールの故障や漏れを引き起こす可能性があり、さらにパイプ継手、バルブ、基礎にも影響を及ぼし、オペレーターや環境に二次的な危険を引き起こす可能性があります。

 

解決：振動診断には体系的なアプローチが必要です。時間波形、スペクトル、位相解析と継続的なモニタリングを組み合わせることで、振動源を正確に特定できます。 ISO 10816-7 などの振動評価規格を参照して、機器の振動健全性ベースラインを確立することをお勧めします。定期検査では、振動値の異常な増加が最も早い警告信号であることがよくあります。

 

• ベアリングと潤滑油の汚れ

ベアリングは遠心ポンプの最も脆弱なコンポーネントの 1 つであり、ベアリングの故障の 85% 以上は、汚れ、異物、水などの汚染物質によって引き起こされます。汚染物質の破壊力は驚異的で、わずか 250 ppm の水がベアリングの寿命を 4 倍短縮する可能性があります。

 

潤滑油の汚染はさまざまな原因で発生します。シール破損後のプロセス媒体の浸出、メンテナンス中に混入した不純物、または長期運転による潤滑油自体の劣化が原因である可能性があります。{0}}一般的なベアリングの故障モードには、凝着摩耗、疲労摩耗、および摩耗摩耗が含まれ、多くの場合、不適切な接触表面クリアランス、不十分な表面粗さ、または潤滑油の物理化学的特性の劣化によって引き起こされます。

 

汚れに加えて、ベアリングはラジアル方向の力、軸方向の力、位置ずれ、配管の歪みなどによる追加の負荷を受けます。これらの力により、ベアリングは設計荷重をはるかに超えて動作し、故障のプロセスが加速されます。

 

解決策:軸受の寿命を延ばすには、潤滑油を清浄に保つことが最も効果的です。定期的なオイル検査システムを確立し (少なくとも四半期ごとに推奨)、水分 (100 ppm 以下) と粒子状物質の含有量 (NAS クラス 9 の清浄度基準以上) を厳密に管理します。同時に、ポンプが BEP の近くで動作するようにして、ラジアル方向の力を軽減し、ポンプとドライブの正確な位置合わせを確保し、パイプラインの歪みを排除します。

 

• 最小流量運転

多くのオペレーターは、低流量での運転が遠心ポンプに対する慢性的な損傷の最も危険な形態であることに気づいておらず、「ポンプが作動している限りは大丈夫」と信じています。

 

すべての遠心ポンプには特定の動作範囲があります。この範囲を超えると、振動や騒音の大幅な増加、性能の低下、コンポーネントの寿命の短縮、さらには機械的損傷など、一連の問題が発生する可能性があります。 API 610 規格では、2 つの最小流量を定義しています。それは、最小連続熱限界流量 (ポンプが温度上昇による損傷を受けることなく動作を維持できる最低流量) と最小連続定常流量 (指定された振動制限を超えない最低流量) です。

 

最小流量未満で動作すると、ポンプのラジアル荷重と振動が増加し、流体の再循環が強化され、ベアリングやメカニカル シールの寿命が短くなります。ポンプ内で流体の分離が発生し、振動や騒音がさらに増加する可能性があります。出口バルブを閉じた状態で動作する高出力遠心ポンプでは、ポンプ内の流体がますます高温になり、ベアリングが焼損する可能性があります。流量が低い場合、ポンプ シャフトは追加の半径方向の力も受けます。

 

最小連続定常流量は、吸引比速度やエネルギー密度などの要因に影響されます。一般に、最小連続定常流量は、吸引比速度が増加するにつれて増加します。低流量運転では内部再循環キャビテーションが誘発され、損傷がさらに加速する可能性があります。

 

解決策:最小流量ラインを設定することが最も確実な保護手段です。動作流量がポンプの最小流量よりも低い場合は、低流量ライン (つまり、最小再循環ライン、またはバイパス) を設置する必要があります。-。さらに、可変周波数ドライブ、自動再循環バルブ、電力または振動の監視も使用できます。 API 610 規格に準拠したポンプの場合、動作は指定された最小連続安定流量を厳密に遵守する必要があります。

 

• シャフトシールの漏れ

メカニカル シールは遠心ポンプの最も一般的なシャフト シール方法ですが、頻繁に故障する傾向があります。メカニカルシールの漏れ箇所は主に動的リング端面と静的リング端面および補助シールに集中しています。

 

シール不良の原因はさまざまです。シール端面の平坦度または粗さが標準以下であること。端面間の粒子状物質。ポンプの起動時と停止時にシール キャビティ内に負圧が発生し、端面の乾燥摩擦が発生します。-ポンプ内の圧力が長時間蓄積するとシールが損傷します。ポンプ流量が不十分なため、媒体が循環、加熱、蒸発します。補助シールの劣化または損傷。さらに、半径方向の力によって生じるシャフトのたわみにより、シール端面の接触を維持することが困難になり、メカニカルシールの故障の主な原因となります。

 

解決策:メカニカルシールのメンテナンスには細心の注意が必要です。定期検査では、赤外線温度計を使用してシールキャビティの温度 (通常は周囲温度 +25 度以下) を監視し、超音波漏れ検出器でフランジ界面を毎週スキャンします。組み立ての際、シャフトの軸方向の移動が 0.1 mm 未満であることを確認してください。特殊な媒体の場合は、硬質合金同士の摩擦ペアやパーフルオロエラストマー O- リングなど、高温耐性と耐食性-のシール材を選択する必要があります。

 

• 軸力の不均衡

単段単吸込遠心ポンプが作動すると、ロータは吸込口に向かう軸方向の推力を受けます。多段遠心ポンプの場合、軸力の問題はより深刻です。ほとんどの故障は、不適切なバランス機構の設定またはバランスシステムの誤動作に起因します。

 

軸力の不均衡により、スラストベアリングの仕事量が増加し、ローターが吸入口に向かって移動し、振動が発生します。ひどい場合には、インペラリングの摩擦やポンプ本体の損傷につながる可能性があります。一般的な軸力バランス構造または装置には、バランス穴、バランスディスク、またはバランスドラム (バランスリターンパイプ付き) が含まれます。バランシング ディスクを偏心して取り付けると、ローターの振動が発生し、ベアリングやポンプ シャフトが損傷する可能性があります。

 

解決策:定期的にバランス穴とリターンパイプに詰まりがないか確認してください。バランスディスク装置の場合、取り付けの偏心は厳密に管理され、通常は 0.05 mm を超えないようにする必要があります。多段ポンプを始動する前に、過剰な瞬間的な軸推力を避けるために、完全なプライミングと通気が不可欠です。ベアリングの急激な温度変化は軸力の不均衡の前兆であることが多いため、スラストベアリングの温度上昇をオンラインで監視する必要があります。

 

• 折れたシャフト

ポンプ シャフトの破損は、遠心ポンプの最も深刻な故障の 1 つであり、多くの場合、回転張力や曲げ疲労によって引き起こされます。ほとんどすべての回転機械では、シャフトの破損に先立って激しい振動が発生します。

 

シャフト破損の一般的な原因には、不適切なポンプ シャフトの設計、ユニットのシャフト中心のずれ、不適切なベアリングの選択、アウトレット パイプの不適切な取り付けが含まれます。軸端逃げ溝での応力集中。メインシャフトのスパンが大きすぎると、曲げ応力が増加します。疲労亀裂は最も弱い部分から発生し、繰り返しの交互応力によって徐々に伝播し、最終的にはある瞬間に突然破壊します。ポンプ シャフトは停止時には異常を示さないことが多いため、この疲労蓄積プロセスは非常に潜伏性が高くなります。

 

解決策:設計における応力集中を回避します。逃がし溝半径（軸径の5％以上を推奨）を適切に設定してください。動作中の振動監視を強化します。振動値の異常な増加は、多くの場合、シャフト破損の前兆です。シャフトの同軸度や振れを定期的にチェックしてください。主要なオーバーホール サイクル中には、シャフト システムの磁粉検査または超音波検査を行うことをお勧めします。シャフトが破損したユニットの場合、故障の原因を包括的に分析することが不可欠です。単にシャフトを交換して再び動作させることは許可されていません。

 

予防は修復よりも優れており、監視は推測よりも優れています。振動監視、温度監視、潤滑剤分析、動作パラメータ記録のための体系的なシステムを確立することは、遠心ポンプの寿命を延ばし、継続的な生産を確保するための基本的な方法です。