原油輸送離心泵的選用

張國釗

（上海寰球石油化學工程有限公司，上海 200032）

原油輸送離心泵的選用

張國釗

（上海寰球石油化學工程有限公司，上海 200032）

原油輸送離心泵是原油庫區(qū)設(shè)計的重要組成部分，為了其選用的合理性，從離心泵整套機組的各個組成部分——密封、聯(lián)軸器、電動機的配置方面進行了分析，給出了選擇依據(jù)和電動機功率的選用方法，為原油輸送離心泵的選用提供了良好的理論指導。

離心泵;原油;機械密封;電動機;聯(lián)軸器

原油輸送離心泵是原油庫區(qū)中進行原油儲運的大型關(guān)鍵設(shè)備，它主要用于原油的輸送，油罐的倒罐，原油的裝卸等。由于原油輸送離心泵具有初次投資大，運行周期長，功率消耗大等特點，因此該設(shè)備的合理選用對整個原油庫區(qū)起著至關(guān)重要的作用。

1 原油輸送離心泵的工藝參數(shù)及主要結(jié)構(gòu)

原油輸送離心泵的主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 泵的主要工藝參數(shù)

該泵采用API610標準中的BB1型泵[1]，主要由泵體、葉輪、泵軸、軸承、密封、聯(lián)軸器和電動機等幾部分組成。此離心泵的殼體是水平軸向剖分的雙蝸殼，水平軸向剖分可增加輸油泵使用維護的方便性，雙蝸殼可有效地平衡徑向力。泵殼支承方式為兩端接近中心線的支承，可確保輸油泵運行平穩(wěn)并減小泵的振動和噪音，使泵能夠長時間連續(xù)運行，并能保證泵軸和電動機軸的同心度。葉輪為雙吸式單級葉輪，雙吸式葉輪可有效地平衡泵的軸向力。材料選擇了API610標準附錄H的S-6等級。泵的軸承采用了稀油自潤滑的滑動軸承，在非驅(qū)動端還設(shè)有兩個背對背安裝的推力球軸承，以承受轉(zhuǎn)子的剩余軸向力。輸油泵還設(shè)有電伴熱，以保證介質(zhì)溫度能在一定的溫度范圍內(nèi)，否則原油由于溫度降低而使粘度升高，不利于輸送。

2 密封的選用

軸封是防止泵軸與殼體處泄漏而設(shè)置的密封裝置。常用的軸封種類有填料密封、動力密封和機械密封等形式。填料密封結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便，但泄漏量大、功耗損失大。因此填料密封用于輸送一般介質(zhì)，如水;一般不適用于石油及化工介質(zhì)。動力密封性能可靠，價格便宜，維修方便，適用于輸送含有固體顆粒較多的介質(zhì)。缺點是功率損失較機械密封大，且其停車密封裝置的壽命較短。機械密封具有性能可靠、泄漏量小、使用壽命長、功耗低、維修率低、對軸（軸套）磨損小，適用溫度、壓力、泵速的范圍寬，滿足各種腐蝕性介質(zhì)及含固體顆粒介質(zhì)等苛刻工況的密封要求，且隨著國內(nèi)機械密封業(yè)的發(fā)展，不管是國產(chǎn)泵還是進口泵，機械密封已能實現(xiàn)國產(chǎn)化，具有明顯的性價比優(yōu)勢，因此機械密封成為最通用的密封形式。

機械密封是由兩塊密封元件 （靜環(huán)和動環(huán)）垂直于軸的光滑而平直的表面相互貼合，并做相對轉(zhuǎn)動而構(gòu)成的密封裝置，如圖1所示。它是靠壓緊元件（彈簧）和密封介質(zhì)的壓力在旋轉(zhuǎn)的動環(huán)和靜環(huán)的接觸面上產(chǎn)生適當?shù)膲壕o力，使這兩個端面緊密貼合，端面間維持一層極薄的液體膜而達到密封的目的。這層液體膜具有流體動壓力與靜壓力，起著潤滑和密封的作用。

圖1 單端面機械密封示意圖

機械密封按照液體壓力平衡情況可分為平衡型和非平衡型機械密封。平衡型機械密封端面所受作用力隨介質(zhì)壓力的升高而升高的斜率小于1，而非平衡型機械密封的升高斜率大于1，見圖2。平衡型密封能部分平衡介質(zhì)液體對機封端面的壓力，端面比壓隨液體壓力的上升而緩慢上升，它能夠降低端面上的磨損，承載能力相對較大，可用于高壓場合。對非平衡型機械密封，在介質(zhì)壓力較高的情況下，因其端面作用力較大，密封面磨損較快，故不建議用于高壓工況，只能用于低壓場合，一般最高壓力為 0．5～0．7MPa[2]。 但對那些潤滑性較差、沸點低、易氣化的介質(zhì)，即使壓力較低，也應選用平衡型機械密封，其主要原因是由于非平衡型機械密封在密封腔壓力上升時，會將兩摩擦副端面密封面上的液膜擠出，使其密封面很快出現(xiàn)磨損。

圖2 平衡型和非平衡型機械密封結(jié)構(gòu)

機械密封也可按照密封腔中摩擦副的對數(shù)及型式可分為單端面機械密封（如圖1）、雙端面機械密封及串聯(lián)式機械密封（如圖3）。單端面機械密封只有一對摩擦副，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆容易，一般只需設(shè)置內(nèi)沖洗系統(tǒng)，不需要外沖洗液系統(tǒng)。雙端面機械密封有兩對摩擦副，結(jié)構(gòu)較復雜，需要外沖洗液系統(tǒng)，需在密封腔內(nèi)通入隔離液（對雙端面機械密封）或緩沖液（對串聯(lián)式機械密封），起潤滑密封面的作用。

圖3 雙端面和串聯(lián)式機械密封

由于原油罐區(qū)工程中沒有任何外沖洗液，且原油的介質(zhì)粘度較大，因此原油輸送離心泵選用了無需外沖洗系統(tǒng)的平衡型單端面機械密封。

由于介質(zhì)的密度、粘度以及腐蝕性等特點，使密封端面材料受到了限制，表2中給出了常溫下不同介質(zhì)動、靜環(huán)材料組合[3]。

表2 常溫下不同介質(zhì)可選用的材料組合

由于原油介質(zhì)的粘度大，依據(jù)表2選用機械密封的摩擦副為碳化鎢對碳化硅，此摩擦副耐磨性較好，可以最大限度地延長密封使用壽命。根據(jù)表3中列出的靜密封用O形圈常用材質(zhì)的應用情況[4]，O形圈采用了氟橡膠材料。

機械密封的動環(huán)和靜環(huán)端面互相摩擦，不斷產(chǎn)生摩擦熱，使密封面溫度升高，對密封造成不良影響。為了消除摩擦熱影響，降低密封腔溫度，防止液膜氣化，改善潤滑條件，防止雜質(zhì)集積和氣囊形成，保證密封正常工作，延長使用壽命，還必須對密封進行沖洗。

表3 O形密封圈常用材質(zhì)及其適用范圍

沖洗有內(nèi)沖洗和外沖洗。內(nèi)沖洗是利用泵內(nèi)部壓力較高處（通常是泵出口）的液體作為沖洗液來沖洗密封腔，這是最常用的沖洗方法。外沖洗是利用外來沖洗液注入密封腔進行沖洗，這種方法可用于高溫、腐蝕性強和含固體顆粒的液體。由于此原油庫區(qū)中沒有合適的外沖洗液，所以采用了API682標準中Plan11和Plan65[5]的綜合方案。因為該原油輸送離心泵已設(shè)計了伴熱系統(tǒng)，油品的溫度和粘度都可以得到保證，另外，泄漏管路也采用了保溫措施，泄漏油品也不會在常溫下凝固而影響密封的壽命。Plan11沖洗管路中，采用了雙道節(jié)流孔板，以加大節(jié)流孔的直徑，減少節(jié)流孔板堵塞的可能。為防堵塞，還可在節(jié)流孔板兩邊加裝差壓變送器實現(xiàn)檢測。Plan65設(shè)置了密封泄漏報警裝置，一旦密封泄漏，控制室內(nèi)就可以得到報警，從而可采取相應措施來解決密封泄漏問題。此方式已經(jīng)應用于很多設(shè)計，效果較好。

3 聯(lián)軸器的選用

聯(lián)軸器是泵機組中使泵軸與原動機軸互相聯(lián)接并傳遞功率的部件。聯(lián)軸器選擇是否恰當，關(guān)系到泵組的效率和安全、穩(wěn)定運行。聯(lián)軸器的種類眾多[6~7]，泵用聯(lián)軸器一般選用撓性聯(lián)軸器，目的是傳遞功率，補償泵軸與電機軸的相對位移，降低對聯(lián)軸器安裝的精確對中要求，緩和沖擊，改變軸系的自振頻率和避免發(fā)生危害性振動等。泵常用的撓性聯(lián)軸器型式有爪型彈性聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器和膜片聯(lián)軸器等。

爪型彈性聯(lián)軸器的特點是體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，價格低廉。常用于小功率及不太重要的場合。彈性柱銷聯(lián)軸器是利用若干非金屬彈性材料制成的柱銷，置于兩半聯(lián)軸器凸緣孔中，通過柱銷實現(xiàn)兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，該聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，更換容易，尺寸小，重量輕，適用于中速傳動軸系，不適用于工作可靠性較高的工況。膜片聯(lián)軸器如圖4所示，它采用幾組厚度很薄的金屬膜片制成各種形狀，用螺栓分別與主從動軸上的兩半聯(lián)軸器聯(lián)接。膜片聯(lián)軸器靠膜片的彈性變形來補償所聯(lián)兩軸的相對位移，是一種高性能的金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器，不用潤滑和維護，結(jié)構(gòu)緊湊，強度高，抗高溫，抗不對中性能好，可靠性高，傳動扭矩大，適用于高溫、高速、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動。

圖4 膜片聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

由于原油輸送離心泵功率較大，以及使用時的工作條件和泵的結(jié)構(gòu)要求和安裝、維修的方便性，采用帶加長段的膜片聯(lián)軸器，加長段可確保拆卸聯(lián)軸器、軸承部件、機械密封等零件時不用拆卸電動機。聯(lián)軸器的防護罩用無火花的不銹鋼制成，確保使用安全可靠。

4 電動機的選用

驅(qū)動機的種類很多，如電機、汽輪機、柴油機等。化工行業(yè)中使用最多的是電動機。除了機械的負載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電機的啟動、制動、運轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求以及溫度、濕度、海拔、防爆、防護等使用場所的環(huán)境條件外，電動機功率的選擇至關(guān)重要。電機功率選得過小，會引起離心泵過載而燒壞電機;而電機功率選得過大，會造成電能的浪費。

泵的功率是指輸入功率，即電機傳遞到泵軸上的功率，也稱為軸功率。對于離心泵的軸功率計算公式為:

式中:H——泵的額定揚程，m;

Q——泵的額定流量，m3·s－1;

ρ——介質(zhì)密度，kg·m－3;

η——泵額定工況下的效率;

Pa——泵額定工況下的軸功率，kW。

根據(jù)泵的性能曲線查出泵額定工況下的效率為83%，把表1的相關(guān)參數(shù)帶入公式（1）中得軸功率為:

在確定電動機的功率時，電動機的功率須留有一定的安全裕量，電動機的配用功率一般按下式計算:

式中:ηt——泵傳動裝置效率，見表4[8];

K——原動機功率裕量系數(shù)。功率裕量系數(shù)不小于表5中的值。

表4 泵傳動裝置效率ηt

表5 離心泵功率裕量系數(shù)K

原油輸送離心泵采用直聯(lián)，由表4和表5可求出電動機的配用功率為:

根據(jù)配用功率，向上靠電動機的標準功率，即得電動機的功率為450kW。由于泵與電動機直聯(lián)傳動，因此所需電動機轉(zhuǎn)速由泵轉(zhuǎn)速來確定。

5 結(jié)語

軸承、密封及其沖洗、聯(lián)軸器和電機是原油輸送離心泵的重要組成部分，只有對其選用合理，才能保證原油輸送離心泵的穩(wěn)定運行，從而保證原油罐區(qū)的正常運行。

[1] API 610-2004，Centrifugal Pumps for Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries[S]．

[2] 張巍，潘立斌，張旭東．離心泵機械密封的選用[J]．石油化工設(shè)備，2007，36（3）:75-78．

[3] 郭臣，沈梅．礦用泵軸機械密封的選用[J]．煤礦機械，2002，（12）:74-75．

[4] 田志偉，李海權(quán)．化工泵的軸封腔設(shè)計及軸封選型[J]．通用機械，2004，（6）:62-64．

[5] API 682-2004，Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps[S]．

[6] 文斌．聯(lián)軸器設(shè)計選用手冊[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2009:2-9．

[7] 陳松，徐文峰．淺談泵用聯(lián)軸器的選型[J]．水泵技術(shù)，2003，（5）:27-31．

[8] 全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站機泵技術(shù)委員會．工業(yè)泵選用手冊[M]．北京:化學工業(yè)出版社，2006．

Selection of Centrifugal Pump to Transfer Crude Oil

ZHANGGuo-zhao
（China Huanqiu Contracting ＆ Engineering Corp．（Shanghai），Shanghai 200032，China）

TQ 051 TH 311

A

1671-9905（2011）07-0048-04

張國釗（1979-），男，漢族，山東人，碩士，工程師，主要從事石油化工行業(yè)轉(zhuǎn)動設(shè)備的工程設(shè)計和研究工作

2011-04-13