JP2014202144A

JP2014202144A - 遠心ポンプの診断方法

Info

Publication number: JP2014202144A
Application number: JP2013079809A
Authority: JP
Inventors: 直樹増田; Naoki Masuda
Original assignee: Shin Nippon Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Nippon Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-10-27

Abstract

【課題】ポンプを分解しなくても性能低下の原因が把握でき、適切な部品交換時期を予測できる遠心ポンプの診断方法を提供する。【解決手段】ウエアリングを含む摩耗部品を備える遠心ポンプにおいて、初期値である流量（Ｑｉ）および揚程（Ｈｉ）と、操業時の実測値である実流量（Ｑａ）および実揚程（Ｈａ）とを用いて実効率（ηａ）を計算式（Ｑ?（Ｐｄ-Ｐｓ）?１０5／（３６００?√３?Ｖ?Ｉ?ηｍ?Ｐｆ））で求め、予期効率（ηｅ）を計算式（ηｅ＝Ｑ?Ｈ?S.G.?ｇ／３６００?B.H.P.）で求め、実効率（ηａ）と予期効率（ηｅ）とを対比して異常の有無を判断する。初期値である流量（Ｑｉ）および揚程（Ｈｉ）と、操業時の実測値である実流量（Ｑａ）および実揚程（Ｈａ）との対比から内部洩れ量を求め、内部洩れ量からウエアリングのクリアランスの予測値を得る。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心ポンプの診断方法に関する。さらに詳しくは、ウエアリング等の摩耗部品を備える遠心ポンプの寿命予測を行い、事故に至る前に部品交換を行うための診断方法に関する。

遠心ポンプの寿命予測を行う従来技術として特許文献１がある。
この従来技術は、ポンプ回転軸の軸振動を計測し、軸振動値に対応する軸受クリアランスから水中軸受の軸受摩耗量を推定し、水中軸受の軸受摩耗量から縦型ポンプの寿命監視診断を行うものである。

しかるに、上記従来技術では軸受の摩耗等に基づく寿命予測はできるが、遠心ポンプの羽根車回りの摩耗等が原因となる寿命予測はできないという問題がある。
しかるに、羽根車回りの摩耗はポンプ性能に大きな影響を及ぼすので、従来技術での寿命予測は現実性に乏しく、つぎのような問題があった。
（１）内部損傷状況や性能低下の原因確認のためには分解点検が必要であった。
（２）適切な部品交換時期などが予測できないため、過剰な点検コストが生じ、それを怠ると不安定な運転を招くことになっていた。

特開２００４−１０８１７７号公報

本発明は上記事情に鑑み、ポンプを分解しなくても性能低下の原因が把握でき、分解しなくても適切な部品交換時期を予測できる遠心ポンプの診断方法を提供することを目的とする。

第１発明の遠心ポンプの診断方法は、ポンプケーシングと羽根車との間にウエアリングを含む摩耗部品を備える遠心ポンプにおいて、初期値である流量（Ｑｉ）および揚程（Ｈｉ）と、操業時の実測値である実流量（Ｑａ）および実揚程（Ｈａ）とを用いて実効率（ηａ）を計算式（Ｑ×（Ｐｄ-Ｐｓ）×１０⁵／（３６００×√３×Ｖ×Ｉ×ηｍ×Ｐｆ））で求め、予期効率（ηｅ）を計算式（ηｅ＝Ｑ×Ｈ×S.G.×ｇ／３６００×B.H.P.）で求め、実効率（ηａ）と予期効率（ηｅ）とを対比して異常の有無を判断する異常評価ステップを実行する
ここで、
ポンプの吸込み圧：Ｐｓ（barg：バールゲージ、１bar=１０⁵Ｐａ（Ｎ／ｍ²））
ポンプの吐出圧：Ｐｄ（barg：同上）
モータ電圧：Ｖ（Ｖ）
モータ電流：Ｉ（Ａ）
モータ効率：ηｍ
モータ力率：Ｐｆであることを特徴とする。
第２発明の遠心ポンプの診断方法は、第１発明において、前記異常評価ステップを実行する際に求めた、初期値である流量（Ｑｉ）および揚程（Ｈｉ）と、操業時の実測値である実流量（Ｑａ）および実揚程（Ｈａ）との対比から内部洩れ量を求め、この内部洩れ量から摩耗部品のクリアランスの予測値を得るクリアランス予測ステップを実行することを特徴とする。
第３発明の遠心ポンプの診断方法は、第２発明において、前記クリアランス予測ステップにおける前記摩耗部品のクリアランス予測値と最大許容クリアランスとを対比し、その偏差からポンプの摩耗部品の残り寿命を予測する残り寿命予測ステップを実行することを特徴とする。

第１発明によれば、流量および揚程の初期値と実測値を用いて、ポンプの実効率と予期効率を計算で求め、そのうえで対比するので、ポンプを実際に分解することなく異常の有無を判断できる。すなわち、予期される範囲内の性能低下なら摩耗部分の摩耗による正常運転と判断でき、予期を越えた性能低下であれば何らかの異常と判断することができる。
第２発明によれば：、初期値である流量（Ｑｉ）および揚程（Ｈｉ）と、操業時の実測値である実流量（Ｑａ）および実揚程（Ｈａ）とに基づいて、摩耗部品のクリアランスを予測するので、実際に分解することなく摩耗部品のクリアランスを判断できる。
第３発明によれば、クリアランスの偏差は結局は初期値である流量（Ｑｉ）および揚程（Ｈｉ）と、操業時の実測値である実流量（Ｑａ）および実揚程（Ｈａ）とから求めるので、実際に分解することなくポンプの残り寿命を判断できる。

本発明の診断方法で用いるチャートである。本発明の診断方法において異常評価ステップに用いるチャートである。本発明の診断方法においてクリアランス予測ステップに用いるチャートである。本発明の診断方法において残り寿命予測ステップに用いるチャートである。本発明が適用される遠心ポンプの構造説明図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の診断方法を説明する前に、本発明が適用される遠心ポンプの基本構造を説明しておく。
羽根車１は駆動軸２の先端に取付けられていて、回転可能となっている。羽根車１はうず巻き室を有するケーシング３内に入れられ、回転することにより液に遠心力を与え、吸込口３aから液を吸い込み、吐出口３ｂから吐出する。羽根車１とケーシング３との間にはウエアリング４が設けられており、極くわずかな隙間のみあけて液の通過を防止するようにしている。図示の例では羽根車１の前面にのみウエアリングを設けているが、羽根車１の後面にも設けるものがある。
このウエアリングは摩耗部品の代表的なものであるが、他には横型多段二重胴ポンプのバランスドラム/ブッシュや、立型多段ポンプのボウルブッシュなどがある。そして、これらの摩耗部品の摩耗が大きくなると吐出液の戻り量が多くなりポンプ性能が低下する。

駆動軸２の中間部分は２個の軸受５，５で回転自在に支持されている。また、駆動軸２の他端には継手６が取付けられ、モータ等の駆動源に連結されるようになっている。ケーシング３の背面のパッキン箱７には、パッキン８が詰め込まれパッキン押え９で固定されている。このため、駆動軸２のまわりから液洩れが防止されている。

本発明の診断方法を以下に説明する。
（１）診断方法論
まず、後述する診断手順の前提となる診断方法の原理を説明する。
ポンプを駆動するために必要な軸馬力（B.H.P.）は下記式の計算により求められる。
B.H.P.＝Ｑ×Ｈ×S.G.×ｇ／（３６００×η）
したがって、効率（η）は、下記式（１）で求められる。
効率（η）＝Ｑ×Ｈ×S.G.×ｇ／（３６００×B.H.P.）・・・（１）
ここで、各記号の意味はつぎのとおりである。
B.H.P.：軸馬力（ｋｗ）
Ｑ：吐出量（ｍ³/ｈ）
Ｈ：揚程（ｍ）
S.G.：ポンプ液の比重
ｇ：重力の加速度（＝９．８０６６５ｍ/ｓ2）

そして、ポンプの性能を診断する場合に、一般論として、つぎのことがいえる。
摩耗部品のクリアランス（隙間）が増えると、内部洩れ量、すなわちウエアリング４等を通じて高圧側から低圧側へ洩れる量が増えていく。そして、洩れ量が増えると、効率（η）が低下する。

（２）診断手順
a)操業中における実ポンプ効率を評価するためには、下記のモニタリングデータが必要とされる。
ａ．ポンプの実吐出量：Ｑａ（ｍ³／ｈ）
ｂ．ポンプの吸込み圧：Ｐｓ（barg）
ｃ．ポンプの吐出圧：Ｐｄ（barg）
ｄ．ポンプの液の比重：S.G.
ｅ．モータ電圧：Ｖ（Ｖ）
ｆ．モータ電流：Ｉ（Ａ）
ｇ．モータ効率：ηｍ
ｈ．モータ力率：Ｐｆ

ｂ）操業中における実ポンプ効率は、つぎのように求められる。
モータの有効出力（Mao）は、（Mao）＝Pump B.H.P.である。
したがって、モータ有効出力（Mao）は下記式（２）で求められる。
Mao＝√３×Ｖ×Ｉ×ηｍ×Ｐｆ／１０００（ｋｗ）・・・（２）
また、実揚程（Ｈａ）は式（３）で求められる。
実揚程Ｈａ＝（Ｐｄ-Ｐｓ）×１００／（S.G.×ｇ）（ｍ）・・・（３）
そして、式（１）、（２）および（３）から実効率（ηａ）が下記式（４）により求められる。
ηａ＝Ｑａ×（Ｐｄ-Ｐｓ）×１０⁵／（３６００×√３×Ｖ×Ｉ×ηｍ×Ｐｆ）・・・（４）

ｃ）実データの記入
図１は初期性能曲線を予め記載してあるチャートである。チャートに示す初期性能曲線としては、揚程Ｌ１（HEADまたはHead-initial（ｍ）の記号で示している）、効率Ｌ２（EFFICIENCYまたはEfficiency-initial（％）の記号で示している）、馬力Ｌ３（B.H.P.またはB.H.P.-initial(ｋｗ)の記号で示している）の三要素を示している。
横軸は吐出量（CAPACITY（ｍ³／ｈ）を示し、縦軸に揚程と効率と馬力を示している。これらの初期値は実測値により求められる。
そして、操業中（たとえば、操業開始後の任意の積算時間経過時）におけるポンプ実吐出量（Ｑａ）について実揚程（Ｈａ、図中の記号 Operating Point）と実効率（ηａ、図中の記号 Actual
Efficiency）を記入する。

ｄ）比較
図２は、図１から実効率（ηａ）を求め、予測効率（ηｅ）と対比する比較要領を示している。
図２を用いる比較要領はつぎのとおりである。
（１）実揚程（Ｈａ、Operating Point）から横線を引く。
（２）揚程初期値Ｌ１（Head）との交点から縦線を引く。
（３）予期効率（ηｅ）は下記式で求められる。
η（ｅ）＝Ｑ×Ｈ×S.G.×ｇ／（３６００×B.H.P.）
（４）ここで実効率（ηａ）と予期効率（ηｅ）が求められたので、対比し評価する。

ｅ）評価
図２により対比結果が得られると、つぎのような評価ができる。
ηａ≒ηｅの場合は、通常の摩耗による効率低下と判断できる。
ηａ<<ηｅの場合は、異常な原因によると推測できる。
なお、異常な原因には、異物の詰まり、部品の焼きつき、羽根や流路のエロージョンが考えられる。

上記の異常評価ステップを用いると、ポンプを分解しなくても性能低下の原因が把握でき、分解しなくても適切な部品交換時期を予測できるという利点がある。

（３）ポンプ摩耗部品の予測クリアランス
上記（２）の異常評価ステップの実行の際に、ポンプの実流量（Ｑａ）と実揚程（Ｈａ）が分るので、これを基に摩耗部品のクリアランスを予測できる。その手順は以下のとおりである。
ａ）図３は内部洩れ量から摩耗部品のクリアランス（隙間）を予測するためのチャートである。
横軸は内部洩れ量（Internal leakage flow rate（ｍ³／ｈ））を示し、縦軸は摩耗部品のクリアランス（ｍｍ）を示している。そして、摩耗部品のクリアランス（Clearance at wear parts（ｍｍ））は内部洩れ量（Internal
leakage flow rate（ｍ³／ｈ）と線形の関係になりやすいので、図３には、そのクリアランス予測線Ｌ４が予め記載されている。
ｂ）ポンプの内部洩れは、ある程度は製造初期から不可避的に存在することから、ここでいう内部洩れ量は初期値からの増加分をいい、増加分が０の初期状態では、図３横軸の０点に位置することになる。
内部洩れ量は、前記（２）で求めた、操業中のポンプの実流量（Ｑａ）と実揚程（Ｈａ）を図１に示す初期運転性能曲線に現わされている初期値の流量（Ｑｉ）および揚程（Ｈｉ）と対比することにより求められる。
すなわち、内部洩れ量は、初期値に対する実測値の割合によって推定でき、この推定値を内部洩れ量として用いる。
ｃ）許容される最大内部洩れ量（Max. Internal leakage flow rate）は、ポンプの仕様、用途、構造から設定されるべきものである。その許容最大値は縦線で記入されており、その許容最大値とクリアランス予測線との交点から横に水平線Ｌ６を引き、チャート縦軸と交わった交点が推奨最大クリアランスとなる。

ｄ）そこで、つぎの要領で現状クリアランスの予測値（Predicated clearance）を把握することができる。
内部洩れの初期値からの増加分を捉える。増加分をチャート横軸にプロットＰ１し垂線Ｌ７を上に延ばす。垂線がクリアランス予測線Ｌ４と交わった交点から横に水平線Ｌ８を引き、水平線がチャート縦軸と交わった点が実クリアランスの予測値（Predicted clearance）となる。
このようにして、実内部洩れ量が分れば、ウエアリング等の摩耗部品の摩耗量を予測できる。
このクリアランス予測ステップを用いると、実際に分解することなくポンプの残り寿命を判断できる。

（４）ポンプ摩耗部品の予測寿命
上記（３）のクリアランス予測ステップの実行の結果、摩耗部品のクリアランスが分るので、これを基に摩耗部品の残り寿命を予測できる。その手順は以下のとおりである。
ａ）ポンプ摩耗部品の寿命予測は、図４を用い、操業中のクリアランスの定期的チェックによって予測することができる。
図４の横軸は操業時間の積算値（Operating Time）を示しており、目盛には百時間とか千時間、あるいは万時間が用いられる。縦軸は摩耗部品のクリアランス量（Clearance at Wear Parts）と内部洩れ量（Increase of
Internal Leakage Flow Rate）を示している。操業中の内部洩れ量に相応する予測クリアランス（Operating clearance）も前記（３）により求められる。そして、内部洩れ線Ｌ１１（Internal leakage flow rate）とクリアランス予測線Ｌ１２（Operating
clearance）との相対関係値は実験値あるいは実測値で分るので、予め個々のポンプ毎に記入しておかれる。
ｂ）推奨される最大許容クリアランス（Max. clearance (Recommended)）は、ポンプ仕様によって決定されるのであり、最大許容のクリアランスの横線Ｌ１３とクリアランス予測線Ｌ１２とが交わった交点から垂線Ｌ１４を引いて、チャート横軸と交わった交点が摩耗部品の最大操業時間（積算値）となる。すなわち交換が必要な最大積算時間（Max. Interval for replacement）となる。
ｃ）そうすると、図４に前記（３）のクリアランス予測ステップで求められたクリアランス予測値Ｐ２（Current clearance）を記入し、そこから垂線Ｌ１５と最大許容クリアランスとの偏差を求めることで、残り寿命時間の予測値（Predicted lifetime）を求めることができる。

本実施形態の診断方法を用いると次のメリットがある。
本実施形態によれば、異常の有無も、実クリアランスの予測も摩耗部品の寿命予測もポンプを分解することなく行える。このため、過乗な点検コストは生じず、保守点検の不足による不安定な運転に陥ることも防止できる。

本発明の診断方法は、図５に示すポンプだけでなく、横型多段ポンプや立型多段ポンプなど摩耗部品を有する各種型式のポンプにも広く適用することができる。

Ｑ：吐出量（ｍ³/ｈ）
Ｈ：揚程（ｍ）
Ｑａ：実流量
Ｈａ：実揚程
ηａ：実効率
ηｅ：予期効率
B.H.P.：軸馬力

Claims

ポンプケーシングと羽根車との間のウエアリングを含む摩耗部品を備える遠心ポンプにおいて、
初期値である流量（Ｑｉ）および揚程（Ｈｉ）と、操業時の実測値である実流量（Ｑａ）および実揚程（Ｈａ）とを用いて実効率（ηａ）を
計算式（Ｑ×（Ｐｄ-Ｐｓ）×１０⁵／（３６００×√３×Ｖ×Ｉ×ηｍ×Ｐｆ））で求め、
予期効率（ηｅ）を計算式（ηｅ＝Ｑ×Ｈ×S.G.×ｇ／３６００×B.H.P.）で求め、
実効率（ηａ）と予期効率（ηｅ）とを対比して異常の有無を判断する異常評価ステップを実行する
ここで、
ポンプの吸込み圧：Ｐｓ（barg）
ポンプの吐出圧：Ｐｄ（barg）
モータ電圧：Ｖ（Ｖ）
モータ電流：Ｉ（Ａ）
モータ効率：ηｍ
モータ力率：Ｐｆである
ことを特徴とする遠心ポンプの診断方法。
前記異常評価ステップを実行する際に求めた、初期値である流量（Ｑｉ）および揚程（Ｈｉ）と、操業時の実測値である実流量（Ｑａ）および実揚程（Ｈａ）との対比から内部洩れ量を求め、
この内部洩れ量から摩耗部品のクリアランスの予測値を得るクリアランス予測ステップを実行する
ことを特徴とする請求項１記載の遠心ポンプの診断方法。
前記クリアランス予測ステップにおける前記摩耗部品のクリアランス予測値と最大許容クリアランスとを対比し、その偏差からポンプの摩耗部品の残り寿命を予測する残り寿命予測ステップを実行する
ことを特徴とする請求項２記載の遠心ポンプの診断方法。