【国家标准(GB)】 潜油电泵振动试验方法

GB/T18051—2000
本标准等效采用美国石油学会标准APIRP11S8《RecommendedPracticeOnElectricSubmersiblePumpSystemVibrations》（1993年5月第1版）。保留了原文的编写格式和方法，但作了少量的编辑性修改，此外主要变动如下：
1.本标准在等效采用APIRP11S8的情况下，鉴于原文第三章振动分析（Vibrationanalysis）中3.5.2临界速度的第二、第三段所提及的临界速度计算方法来源于两本参考书，故将其列入附录E（提示的附录)参考资料中。
2.APIRP11S8标准未涉及具体的振动测试规程，因此，为了便于理解和实际操作需要，本标准增加了“潜油电泵振动测量操作方法”，作为提示的附录列入附录D。3.APIRP11S8标准的附录C\机械振动严重度分类”的表C1“振动严重度判据”只列出了3600r/min、60Hz时的峰峰位移值，因此在表C1中补充了潜油电泵在3000r/min、50Hz时的峰峰位移值。
本标准等效采用APIRP11S8标准，从而使我国潜油电泵的振动试验方法与国际标准和国外先进标准接轨，以满足国际贸易、技术和经济交流的需要。本标准的附录A、附录B、附录C是标准的附录。本标准的附录D、附录E是提示的附录。本标准由中华人民共和国石油和化学工业局提出。本标准由全国石油钻采设备和工具标准化委员会归口。本标准起草单位：天津斯波泰克潜没电泵有限公司。本标准起草人：詹益许、阎玉玺、王灵沼、赵林、孙越。I
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API前言
(a）本出版物属美国石油学会（API)采油设备标准化委员会管理。(b）发布美国石油学会（API)推荐方法，是为了便于已被验证的、良好的工程技术和操作方法的广泛利用。这些推荐作法无意排除需要对何时何地采用这些推荐作法进行正确的判断。(c）API推荐作法的制定和发布，无意以任何方式限制任何人采用其它的作法。(d）API推荐作法可供愿意执行的任何人使用，学会已作了不懈的努力，以保证本推荐作法数据的准确性和可靠性。但是，学会对于因使用这些推荐作法而造成的损失或损坏不负责任。对于使用可能与任何联邦的州或市的法规有矛盾的API推荐作法而发生的与这些法规的任何抵触，或由于使用推荐作法而侵犯任何专利权，API均不承担任何义务或责任。1总则
1.1引言
中华人民共和国国家标准
潜油电泵振动试验方法
Tests of electric submersiblepump systemvibrationGB/T18051—2000
本标准为建立潜油电泵振动分析和控制的一致性提供了指导依据。本标准通常适用于多数场合下使用的潜油电泵和部件的验收试验。1.2范围
本标准包括潜油电泵和部件的振动限值、试验和分析。2定义
本标准采用下列定义：
2.1振幅amplitude
振幅为一个周期变化量的最大值。2.2位移(a）displacement
位移是说明一个物体或粒子位置变化的矢量。通常从其静止的位置处开始测量。2.3峰峰位移(dp）peak-to-peak-displacement一个振动量的峰峰位移是位移极值之间的代数差值。对于正弦振动，此值为位移振幅的2倍。2.4速度(v）velocity
速度是一个失量，为位移相对于时间的变化率。2.5转速（N）rotatingspeedbzxZ.net
旋转速度是指机械系统旋转的频率。通常用每分钟的转数表示(r/min)。2.6临界速度critical speed
临界速度是相当于旋转系统固有频率的速度，。2.7速度峰值peakvelocity
壳体或箱体的振动通常通过以峰值速度的单位来测量，即发生在正常正弦位移期间的最大速度。2.8加速度（a）acceleration
是代表线速度或角速度的时间变化率的失量。2.9重力加速度（g）gravitationalconstant量9是重力产生的加速度，其值随观查点的纬度和海拔高度的不同而不同。经国际认可，值980.665cm/s2=32.1739ft/s2-386.087in/s2被选作标准重力加速度值。2.10G值(G)
量G是当地的重力加速度与标准重力加速度值之比。例如，重力加速度98.1cm/s2或38.6in/s2写作0.1G。
2.11周期period
完成一个正弦振荡所需要的时间间隔，通常以s为单位来表示。国家质量技术监督局2000-04-14批准2000-10-01实施
2.12频率（f）frequency
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以时间为单位的周期运动的频率是周期的倒数。频率的单位是转每单位时间。转每秒称为赫兹(Hz)。
2.13角频率，angularfrequency；圆频率circularfrequency角频率是一个周期量，用单位时间的弧度来表示，它等于频率乘以2π。2.14固有频率（f）naturalfrequency固有频率是系统自由振动的频率。在复杂的系统中有大量的固有频率，但通常只有几个频率会有足够高的能量显示出来。
2.15基础频率fundamentalfrequency振荡系统的基础频率为系统的最小固有频率。2.16次谐波subharmonic
次谐波是一个正弦量，其频率为基础频率的几分之一。2.17简谐运动simpleharmonicmotion简谐运动是位移为时间的正弦函数的运动，有时称为“谐波运动”。2.18激励excitation
激励是作用于某一系统并使系统以某些方式响应的外界力(或其他输入)。2.19振荡oscillation
振荡是指一个量（如位移）的量值随时间变化。2.20振动vibration
是描述机械系统中振荡的一个术语。2.21稳态振动steady-statevibration当振动的周期和振幅为常数时称为稳态振动。2.22同步振动synchronousvibration经滤波后相应于机械旋转速度频率的振动。2.23强迫振动forcedvibration
如果通过持续激励来引起响应，那么这个系统的振动就是强迫振动。2.24共振resonance
当强迫频率等于或接近系统的固有频率时，强迫振动中的系统就会发生共振。然而激励频率发生任何小的变化都会引起系统响应的减弱。2.25振动测量仪vibrationmeter振动测量仪是测量一个振动物体的位移、速度或加速度的仪器。2.26传感器transducer
将感受到的物理量转换成测量所需物理量的一种装置。2.27滤波器filter
滤波器是根据信号频率来分离信号的一种模拟或数字装置。它允许某些信号频率通过，而抑制或衰减其他信号频率。
2.28平衡balancing
平衡是调整转子质量分布的一个过程，以便减少或控制由于轴颈振动或每转一次作用在轴承上的力所导致的旋转不平衡。
2.29阻尼damping
能量随时间的损耗。
2.30隔离isolation
通过使用弹性支撑来减小系统对外部激励的响应。2
2.31刚度stiffness
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指弹性件所受到的力(或扭矩)的变化与相应直线(或旋转)偏移的变化之比。2.32基础foundation；支撑support基础是支承一个机械系统载荷的结构。其可以固定在某一位置，也可承受为被支撑系统提供激励的运动。
3振动分析
3.1简谐运动
处于简谐运动的系统遵循式(1)定义的位移模式：d=dosin(2ft)=dosin(al)
式中，是简谐运动的频率，の一2元f是相应的角频率，是时间，&。是位移的幅值。系统的速度，和加速度。通过对位移一次及二次求导得到：w=do(2nf)cos(2nft)=doocos(ot)a=-do(2f)'sin(2aft)=-dow'sin(at)（1)
（2）
..（3)
当式(1)～式(3)中的三角函数值等于1时，承受简谐运动系统的位移、速度、加速度的绝对值最大。这些值被认为分别是位移、速度、加速度的幅值，其数学式定义为：vo=(2af)d。
do=d。
ao=(2元f)2d。
·（4)
位移幅值d。的单位当用米制时用毫米(mm），当用英制时用密耳(mil）。速度幅值?。的单位当用公制时用厘米每秒(cm/s），当用英制时用英寸每秒(in/s）。加速度幅值a。的单位当用公制时用厘米每秒每秒(cm/s\)，当用英制单位时用英寸每秒每秒(in/s）。线速度和加速度的不同单位的转换系数见表A1。角速度和角加速度的不同单位的转换系数见表A2。
在分析过程中，通常使用峰值、峰峰值、平均值或均方根值(rms)来表示振幅比较方便，这些转换系数见表A3以备参考。作为频率函数的峰峰位移与速度幅值关系见图A1(米制)和图A2(英制)。简谐运动的峰峰位移如下：
dpp=2(v/2f）=(p/f)
dm = 2(a,/(2mf)3) = (a,/2(f)))在米制单位中：
dp=3.183(vp/f)
dp=0.506 6(ap/f2)
式中：&p—峰峰位移,mm；
速度峰值，cm/s；
加速度峰值，cm/s2；
一频率,Hz。
在英制单位中：
dpp=318.3(p/f)
dm = 50. 66(ap/f)
式中，dp——峰峰位移,mil;
-速度峰值，in/s；
-加速度峰值，in/s\；
f——频率,Hz。
位移、速度和加速度之间的关系曲线见附录B。（5）
（6）
（8）
（9）
（10）
3.2振动的概念
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振动是描绘机械系统振荡的术语。物体的振动由频率、振幅确定。施加于系统的激励或振荡力是般意义的振动。概念上可以认为振动的整个过程在形式上是正弦形的或简谐形的。尽管实际发生的振动通常不具有这种正规的模式，但其可以由几个正弦量组成，每个正弦量有不同的频率和振幅。如果每隔固定的时间间隔重复其振动，总体则称此振动为周期性的。强迫振动的机械系统能够稳定地持续振动，是因为外界持续供给了能量，补偿了系统中阻尼带来的能量损耗。在一个自由振动系统中，不再给系统施加能量，振动只是初始干扰的结果，在没有阻尼的情况下可以认为自由振动将永久持续下去。通常，施加能量的频率（即强频率）出现在系统的振动中。系统的振动取决于激励或外力函数与系统特性的关系，这个关系是振动分析方面的一个重要的特征。振动技术包括理论和实践两方面。因此，采用的分析方法及测量振动的仪器尤为重要。分析和测量的结果用于评价振动环境，完善试验步骤和仪器，改进机械设备的设计和操作，其目的在于消除或减少振动严重程度或设计耐振设备。3.3振动的来源
下面将讨论几种潜在的振动来源。观测到的引起振动的响应频率与产生响应可能原因之间的关系见表1。
表1潜油电泵的振动分析
潜油电泵部位
转子和轴
所有旋转零部件
联轴器，轴，轴承
轴承套
耐磨轴承
机械摩擦副
轴颈轴承旋转
转子和电动机
3.3.1质量不平衡
与潜油电泵旋转速度有关的响应频率1或2倍转速
1倍转速
通常1至2倍转速，有时3倍转速
小于1/2转速
相对高，大于5倍转速
1/3或1/2转速
1/2转速
1倍转速
间题的可能原因
轴弯曲
质量或液压不平衡或偏离轴线旋转轴，联轴器和（或）轴，轴承不对中油膜涡动，轴承轻微负载，保护器最为突出摩擦过大，润滑剂少，安装过紧静止表面与旋转表面之间接触
轴颈轴承随轴旋转
转子偏心（外径或轴颈）
a）由于铸造时型芯错位、锻件的表面粗糙或外形不对称而导致的不对称。b）非均匀的材料。一般检查包括铸件中的砂眼、轧制或锻制材料中的杂质、夹杂矿渣及材料密度的变化。
c）偏心。由于偏心导致的振源包括：1）轴径不圆或与轴不同心；
2）弯曲的轴；
3）旋转部件的公差或间隙产生的偏心导致不平衡；4）对接的轴和联轴器不同心；
5）热膨胀不一致。
3.3.2不同轴
不同轴有两种基本类型：角度错位，即两轴的中心线成一角度；偏心错位，即两轴中心线是平行的，但相互不重合。
未校准的联轴器或轴承会导致横向振动（与轴垂直的振动）。有角度偏差的挠性联轴器可能产生轴向振动，这种情况在细长的轴中尤为显著。偏差可能导致大的轴向振动。不同轴和弯曲轴的特征是振动将发生在轴向和径向两个方向上。通常，无论何时当轴向振动的振幅大于最大径向振动振幅的50%时，应推测有不同轴或弯曲轴。4
3.3.3液体流动
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经过系统的液流偶尔会引起泵振动。振幅通常依据泵工作时的扬程-排量曲线而定，振动原因通常为紊流。在导壳型泵中，叶轮叶片和导壳叶片的某些组合比其它组合更容易产生振动。尽管这种现象会产生过大的振幅，尤其是在会导致气蚀问题的速率下，但试验表明当泵在其推荐操作范围内工作时，紊流的影响还是很小的。泵中非对称的液流通道会导致液力不平衡，表现为每旋转一周产生一次振动。多相流动也会导致振动。
3.3.4轴承油膜涡动
轻负载轴承内部液压导致振动频率稍小于旋转频率的一半(42%～48%)。3.3.5径向轴承转动
没被适当固定住的径向轴承随轴旋转，且产生频率为1/2旋转频率的振动。3.3.6机械磨擦副
旋转面和静止面的接触会导致频率为1/3或1/2正常转速的振动。可能会激发固有频率。3.4振动的控制
控制振动的方法可以分为三种：减少振源，隔离外部振源，减少响应。3.4.1减少振源
a）平衡旋转质量
由于旋转部件不平衡引起的振动，通常能通过调节平衡来减小振动力的幅值，也因此减小了振幅。b）平衡磁力
可通过适当的设计和制造定子、转子来减少电设备由于电磁效应所产生的振荡力。c）控制间隙
当潜油电泵部件和零件在它们的间隙范围内工作时，相互撞击或形成冲击性接触能引起振动，由此引起的振动可通过减小过大的轴承间隙及确保零件尺寸在允许公差范围之内来减轻。d）旋转轴的直线度
轴的直线度对系统振动将会有很大影响，所以旋转轴应尽可能的直。3.4.2隔离外部振源
其它机器或设备如果不进行适当隔离，就可能将振动传给正在试验或运行的潜油电泵。例如输送高压水的卧式泵会受到由基础传来的邻近泵和发动机的振动干扰。可行的作法是使正在试验或运行的潜油电泵避开频率为固有频率土25%范围内的外部振源。受试验设备的隔离是试验者的责任。运行设备的隔离是用户的责任。3.4.3减少响应
a）改变固有频率。
如果系统的固有频率恰好与激励频率相同，会导致更恶劣的共振状态。这种情况下，如果激励频率是个常数，则一般可以通过改变系统的固有频率来减轻振动。这通常包括改变系统的质量和（或）刚度。
b）在非共振频率下运行。
有时潜油电泵使用变速驱动装置。应避免潜油电泵在相当于临界速度的频率下工作，以减少对系统的损害。
c）附加阻尼。
系统在共振下运行时的振动响应很大程度上与存在阻尼的数量有关。增加阻尼数量在技术上是可行的，但附加阻尼会降低系统效率。3.5潜油电泵的振动
任何有细长轴的设备本身就潜伏着振动问题。例如电机、保护器、气体分离器及泵都是采用小直径、强度高的联接轴连接起来的，所有潜油电泵设备运行时都处于某种不平衡状态，同时考虑到使用中的磨5
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损量，所以对新设备应确定合理的位移幅值。3.5.1振动模式
振动模式可以是轴向的、侧向的（横向的）、扭转的或三种的组合。众所周知，扭转振动是个潜在的问题，特别是当启动及速度发生变化时。在某些情况下机械密封及止推轴承上的轴向及横向振动可能是很重要的。
3.5.2临界速度
在潜油电泵系统中存在扭转和横向临界速度，如果可能，应避免潜油电泵以接近临界速度持续地长时间运行。当此问题被具体确定时，已设定的旋转频率及其频率特性的改变可能是适宜的，并且应被采用。当潜油电泵在一个宽广的速度范围内运行或在起动期间，这个问题可能尤其严重。潜油电泵扭转临界速度通常作为一个整体可以用Holtzer方法进行计算，对于具体系统结构可由制造厂提供。
潜油电泵横向临界速度可以用特征值或Myklestadt-Prohl方法2计算。4推荐作法
4.1振动限值
众所周知，严重的振动会降低潜油电泵系统的运行寿命。附录C包括评价振动烈度的通用工业准则。下面给出潜油电泵的振动限值。对于潜油电泵或部件来说，推荐最大速度幅值为0.396cm/s（0.156in/s），这个峰值即是在规定的同步运行频率下或规定的运行频率范围内的峰值，且其它单个频率成分的速度峰值不应大于0.254cm/s（0.100in/s）。推荐在外壳上测取峰值。对于泵来说，这个振动限值应适用于厂家推荐的工作流量范围（见APIRP11S2的2.1.10或本标准附录E的E3)。根据下面的4.2部分测量速度。位移、速度、加速度幅值之间的关系见式（4)。当确定振动试验允许限值时应考虑测量系统的精度和校准。试验过程中应记录临界速度的频率以备将来参考。不推荐在临界速度下运行。4.2振动的测量
旋转机械状态检测程序的第一步是确定测量轴振动还是轴承振动。当可以接近到轴时，可用位移传感器来测量轴的位移幅值（如接近探针）。对手潜油电录系统的部件来说，不易接触到轴，因此必须依靠在部件外壳(轴承)适当位置(轴承部位)测量加速度或速度幅值。传感器有可移动的零件，所以可能有定向灵敏性。传感器应以能提供准确、可重复测量的方式安装。4.2.1传感器
4.2.1.1在正常使用情况下，加速度计通常显示出极好的电输出对输入加速度的线性关系，在1～10000或更大的动态范围并不少见。加速度计对温度和电磁的影响比较不敏感，并且通常有较大的频率响应范围（10～10000Hz)。通常通过对加速度信号进行数字积分以得到速度和位移。低于15Hz时，积分得到的位移值可能有较大误差。4.2.1.2速度探针直接测量速度。这些传感器可用的频率范围约为10～3000Hz。4.2.1.3接近探针。接近探针可以安装在机壳内部，用来测量轴与机壳之间的相对位移。但因为安装很困难，所以接近探针通常不用于测量潜油电泵振动。4.2.2测量位置的选择。应在沿潜油电泵部件的几个轴承位置处进行振动测量。4.2.2.1泵
与APIRP1IS2标准推荐的泵验收试验同时进行振动试验*)可能是有利的。至少应在外壳的中采用说明：
1及2]原文引自参考书，故将其列入附录E提示的附录)参考资料中的E1及E2。*）：APIRP11S2(1990年第一版)有关泵振动的译文见本标准附录E（提示的附录）参考资料E4。6
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点、顶部径向轴承处、底部径向轴承处进行测量。测量时泵速应保持常数。4.2.2.2气体分离器/吸入口
至少应在外壳中点、顶部径向轴承处及底部径向轴承处进行测量。4.2.2.3保护器
至少应在外壳中点、顶部径向轴承处及底部径向轴承处进行测量。4.2.2.4电动机
至少应在外壳中点、顶部径向轴承处及底部径向轴承处进行测量。4.2.3
驱动电动机
在部件试验中必须注意驱动电机将会影响所测的振幅。为减少这种影响应使用平衡良好的检测驱动机。
速度单位→
或加速度单位→
乘以表内数值
得到下列数据单位
速度单位→
或加速度单位→
乘以表内数值
得到下列数据单位
rad/s2
r/min/s
数据→
乘以表内数值
得到下列数据
均方根值(rms）
峰峰值
rad/s2
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附录A
(标准的附录)
单位转换
转换速度和加速度的换算系数
旋转速度及加速度的换算系数
deg/s2
简谐运动的转换系数
均方根值(rms）
r/min/s
峰峰值
(iu/s)
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旋转速度，/mi
频率对位移和速度幅值的关系曲线（英制单位）0.1
(cm/s)
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璇转速度，r/min
频率对位移和速度幅值的关系曲线(米制单位）附录B
（标准的附录）
位移、速度和加速度之间的关系0. 01
α=加速度
d-位款
在D点速度为最大值，到B点速度为0，反方向到一D点速度又达到最大值，然后到位置C速度减少到0,最后又达到最大速度D。从D到B到一D到C再到D整个运动所需的时间是一个周期。注意位移(a）曲线，在A1点位移幅值a。）是0，位移在F点达最大，反方向到A2点值为0，然后到10
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