長輸管道2 100 kW單級輸油主泵研制及應(yīng)用

史興治，邱姝娟，龐貴良，杜華東，劉俊濤.中國石油西部管道公司蘭州輸氣分公司，甘肅蘭州 730070.中國石油西部管道公司生產(chǎn)運行處，新疆烏魯木齊 8300

長輸管道2 100 kW單級輸油主泵研制及應(yīng)用

史興治1，邱姝娟2，龐貴良1，杜華東2，劉俊濤1
1.中國石油西部管道公司蘭州輸氣分公司，甘肅蘭州 730070
2.中國石油西部管道公司生產(chǎn)運行處，新疆烏魯木齊 830011

在原油、成品油管道輸送過程中，輸油泵是提供動力的核心設(shè)備。目前輸油主泵完全被國外產(chǎn)品壟斷。以國內(nèi)某長輸原油管道輸油首站5#輸油泵的數(shù)據(jù)單為主，研制了電機功率為2 100 kW的單級臥式水平中開雙蝸殼輸油泵。介紹了該泵的各部件的設(shè)計方案，利用三維建模軟件UG、有限元分析軟件ANSYS和流場分析軟件CFX進行了水力性能的設(shè)計、臨界轉(zhuǎn)速計算、中分面的密封設(shè)計，另外對軸承、機械密封、沖洗組件設(shè)計和集成化設(shè)計進行了說明，同時進行了大小葉輪的清水試驗。目前該輸油泵已在現(xiàn)場成功應(yīng)用，與同類型的國外知名輸油泵進行了性能測試和振動測試比較，該泵運行平穩(wěn)、振動小于報警設(shè)定值，使用效果良好。最后對該輸油泵的進一步優(yōu)化提出了建議。

管道輸油泵；結(jié)構(gòu)；工業(yè)運行考核

在原油、成品油管道輸送過程中，輸油泵是提供動力的核心設(shè)備。輸油泵的特點是功率大、揚程高、連續(xù)運轉(zhuǎn)，目前輸油主泵完全被國外產(chǎn)品壟斷。隨著輸油管道的快速發(fā)展，降低輸油泵運行維護費用、縮短維檢修時間、提高泵的自動控制水平，變得越來越迫切［1-2］。

基于此，以某原油輸油管道輸油首站5#輸油主泵設(shè)計參數(shù)為主研制了電機功率為2 100 kW、型號為ASY500-240的單級臥式水平中開雙蝸殼輸油泵，該泵具有輸送流量大、揚程高、自動化程度高等特點，能夠滿足不同工況的需要，可以實現(xiàn)大小葉輪互換，極大地方便了維修維護，對保障國家能源安全輸送具有重要作用。

1　輸油主泵的主要性能參數(shù)

輸油主泵樣機主要以某原油輸送管道二期工程的《電動機驅(qū)動離心泵機組技術(shù)規(guī)格書》（1版）、《電動機驅(qū)動離心泵機組數(shù)據(jù)單》（0版）中的技術(shù)參數(shù)為依據(jù)，以該輸油管道原油首站5#機組接口尺寸為基準(zhǔn)進行研制開發(fā)工作。

根據(jù)《離心泵數(shù)據(jù)單》，設(shè)計泵型號為ASY500 -240型；主要性能設(shè)計參數(shù)大葉輪設(shè)計參數(shù)：流量為2 871 m3/h，揚程為240 m，轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，效率≥88%；小葉輪設(shè)計參數(shù)：流量為1 435 m3/h，揚程為225 m，轉(zhuǎn)速2 980 r/min，效率≥85%；設(shè)計壓力為8.5 MPa，設(shè)計溫度為50℃；電機功率為2 100 kW。噪音≤85 db，振動≤4.2 mm/s，溫度為常溫，允許工作區(qū)流量為1 150～3 445 m3/h，最佳效率區(qū)流量為2 010～3 160 m3/h。

2　輸油主泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

輸油主泵是為大口徑、大流量、高揚程的長距離管道輸送油品提供動力的核心設(shè)備，不僅要求能夠連續(xù)運轉(zhuǎn)，大/小葉輪可互換以滿足兩種工況下不同輸量要求；同時要求安裝、拆卸、維護方便，具有完善的自我檢測和保護系統(tǒng)。如圖1所示，該輸油泵主要由泵體、轉(zhuǎn)子部件、出口導(dǎo)葉（擴流器）、軸承部件甲、軸承部件乙、集裝式機械密封部件、電伴熱系統(tǒng)及儀控元件組成。

圖1　　輸油主泵總裝圖

2.1泵體

如圖2所示，泵體由下泵體和泵蓋組成，二者內(nèi)部形成流道，流道外部左右兩側(cè)各形成一個機械密封腔；下泵體和泵蓋的結(jié)合面（即密封面）位于軸線所在的水平面內(nèi)；下泵體上整體鑄造進出口法蘭、軸承體支撐臂、支撐底腳。泵體材料采用ZG20CrNi，該材料力學(xué)性能和耐腐蝕性能比碳鋼高，泵體尺寸通過有限元計算設(shè)計，可以保證泵在任何環(huán)境下結(jié)構(gòu)的完整性。泵蓋設(shè)有溫度變送器檢測孔，用于泵殼溫度的檢測。泵蓋最頂端設(shè)有排氣孔。下泵體上設(shè)有泵的進出口，進出口軸心線與泵軸線垂直，配帶加長節(jié)的撓性聯(lián)軸器，檢修時無需拆卸進出口管道和電機。

圖2　泵體

2.2轉(zhuǎn)子部件

轉(zhuǎn)子部件由軸、軸套、軸套螺母、葉輪、鍵、葉輪密封環(huán)、防塵盤、軸承、軸承套、軸承擋套、軸頭螺母等零件組成（見圖3）。轉(zhuǎn)子部件動平衡測試執(zhí)行GB/T9239.1-2006《機械振動恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求》。

2.3擴流器

為優(yōu)化流場分布和消除水力產(chǎn)生的徑向力，在葉輪與蝸室之間設(shè)置擴流器。同時，當(dāng)流量改變時，可不更換泵蓋、泵體，只需更換葉輪和擴流器就可滿足工程輸量的要求。

2.4軸承部件

圖3　轉(zhuǎn)子部件

軸承部件甲由軸承體甲、軸承盒部件、軸承、擋套、軸頭螺母等零件組成（如圖4（a）所示）。軸承部件乙由軸承體乙、軸承壓蓋、軸承擋套、擋套、甩油環(huán)、圓柱滾子軸承、防塵盤等零件組成（如圖4（b）所示）。軸承體外部均鑄有自然風(fēng)冷散熱肋片，散熱面積大，散熱效果好。軸承體兩側(cè)分別裝有雙金屬溫度計和Pt 100鉑熱電阻，頂部安裝振動傳感器。

軸承部件甲潤滑油室滿裝油為12.4 L、軸承部件乙潤滑油室滿裝油為5.7 L。潤滑油選用美孚DTE中級潤滑油（等同于ISO VG46）。如圖4（c）所示，徑向力由設(shè)置在軸承部件甲與軸承部件乙上的圓柱滾子軸承承受；殘余軸向力由集裝式設(shè)計的軸承盒部件承受；這種徑向力和軸向力由不同的軸承承受，可以大大延長軸承的使用壽命。

圖4　軸承部件

2.5軸封

軸封采用高壓集裝式平衡型單端面機械密封，如圖5所示。

圖5　軸封

設(shè)計密封壓力8.0 MPa，密封沖洗執(zhí)行API610 PLAN11標(biāo)準(zhǔn)，密封沖洗液由泵出口引出，經(jīng)節(jié)流孔板，進入鄰近機械密封端面的密封腔沖洗端面，液體經(jīng)卸壓套與軸套間節(jié)流孔環(huán)返回葉輪吸入口。密封壓蓋上設(shè)置節(jié)流襯套，防止在密封失效的情況下，介質(zhì)沿軸大量泄出。動靜環(huán)采用碳化硅對碳化硅，可以達(dá)到很長的運行壽命。

如圖6所示，在機械密封沖洗管路的節(jié)流孔板處安裝流量計，當(dāng)孔板堵塞時流量計可以給出報警和關(guān)機信號來避免機械密封損壞。在沖洗管路上配置了浮子流量變送器，同時還設(shè)有密封泄漏檢測裝置和機械密封測溫元件，以實現(xiàn)機械密封泄漏的自動報警。

圖6　　機械密封沖洗管路

2.6聯(lián)軸器

聯(lián)軸器選用帶中間節(jié)的膜片聯(lián)軸器（見圖7）。有足夠長的中間節(jié)，可實現(xiàn)在不拆卸電機的情況下更換軸承或機械密封。泵端聯(lián)軸器采用液壓拆裝，避免了加熱拆裝給現(xiàn)場環(huán)境帶來危害。

圖7　聯(lián)軸器

2.7電伴熱

泵體的保溫伴熱裝置呈上下泵體分別設(shè)置，用插接接頭連接。打開泵蓋時不需解開電熱帶。溫控箱裝備了主開關(guān)、保險器、自動保險器、接地短路繼電器，有溫度控制的空間加熱器和電力及控制回路接觸器。泵體伴熱回路由相應(yīng)可調(diào)的溫度控制器和溫度限制器控制，設(shè)定溫度為5～45℃可調(diào)。

3　輸油主泵的設(shè)計計算

3.1水力性能的設(shè)計

利用三維建模軟件UG、有限元分析軟件ANSYS和流場分析軟件CFX進行了優(yōu)化設(shè)計；通過多次修改葉輪和殼體水力性能數(shù)據(jù)，對流道進行優(yōu)化設(shè)計，獲得了理想的水力模型，并解決了軸向力和徑向力平衡的難題，有效地提高了機組運行的可靠性，降低了研發(fā)和制造成本。

3.1.1葉輪的水力性能設(shè)計計算

如圖8所示，葉輪采用單級雙吸封閉式結(jié)構(gòu)，經(jīng)激光成型技術(shù)制造、數(shù)控機床精加工而成，流道表面粗糙度小于6.3。通過采用三維建模軟件UG對葉輪流道內(nèi)流體繪制三維模型，利用有限元分析軟件ANSYS對模型劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入流場分析軟件CFX，并進行多次優(yōu)化分析設(shè)計，葉輪內(nèi)介質(zhì)速度矢量圖見圖9，葉輪內(nèi)介質(zhì)速度流線圖見圖10，計算結(jié)果顯示：葉輪在流量為2 871 m3/h、揚程為248 m的工況時，效率為88.46%。

3.1.2擴流器的水力性能設(shè)計計算

圖8　　葉片加工三維圖

圖9　　葉輪內(nèi)介質(zhì)速度矢量圖

圖10　　葉輪內(nèi)介質(zhì)速度流線圖

利用三維建模軟件UG、有限元分析軟件ANSYS及流場分析軟件CFX，模擬擴流器內(nèi)流場流態(tài)。擴流器內(nèi)介質(zhì)網(wǎng)格見圖11，擴流器內(nèi)速度矢量圖見圖12，擴流器內(nèi)速度流線圖見圖13。通過對流場內(nèi)流線和壓力分布觀察分析，流場內(nèi)流線光順，漩渦少，壓力分布均勻，水力效果理想。

圖11　擴流器內(nèi)介質(zhì)網(wǎng)格

圖12　擴流器內(nèi)速度矢量圖

圖13　擴流器內(nèi)速度流線圖

3.1.3殼體的水力性能設(shè)計計算

將吸入室、葉輪、導(dǎo)葉、吐出室組裝在一起，形成泵內(nèi)介質(zhì)流場。殼體內(nèi)流場流線圖見圖14，殼體內(nèi)流場速度矢量圖見圖15，殼體內(nèi)流場壓力分布圖見圖16，從流場分析軟件看出，流場內(nèi)流線光順，漩渦少，壓力分布均勻。

圖14　　殼體內(nèi)流場流線圖

圖15　　殼體內(nèi)流場速度矢量圖

圖16　　殼體內(nèi)流場壓力分布圖

3.2臨界轉(zhuǎn)速計算

轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速和自振頻率在數(shù)值上近似相等，因此先計算自振頻率。采用3D實體單元對輸油主泵轉(zhuǎn)子模型進行網(wǎng)格劃分。單元總數(shù)33萬，結(jié)點總數(shù)52萬，此時計算結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)的增加變化很小，網(wǎng)格數(shù)量滿足計算精度要求。經(jīng)計算，輸油主泵轉(zhuǎn)子前六階自振頻率結(jié)果見表1，轉(zhuǎn)子第一階振型如圖17所示。

根據(jù)輸油主泵轉(zhuǎn)子模態(tài)計算結(jié)果可得：

表1　轉(zhuǎn)子前六階自振頻率

圖17　轉(zhuǎn)子第一階振型

（1）輸油主泵轉(zhuǎn)子第一階橫向臨界轉(zhuǎn)速nhcr1=60.692×60=3 641.52（r/min）＞1.2 n額（n額= 2 980 r/min），滿足API610中5.6.15規(guī)定。

（2）輸油主泵轉(zhuǎn)子第一階扭轉(zhuǎn)（對應(yīng)于表1中第三階）臨界轉(zhuǎn)速，nncr1=85.154×60=5 109.24 （r/min）＞1.1n額，滿足行業(yè)普遍認(rèn)可的扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速校核關(guān)系式。

因此輸油主泵在正常運行過程中轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)離共振區(qū)，不會發(fā)生共振，軸系安全可靠。

3.3中分面的密封設(shè)計

利用三維建模軟件UG對泵體、泵蓋、主螺栓、螺母、密封墊建立三維模型，再利用有限元分析軟件ANSYS對泵體、泵蓋、主螺栓、螺母、密封墊在內(nèi)壓為8.5 MPa的工況下進行分析計算，得出螺栓擰緊力矩，確保達(dá)到中分面密封墊最小預(yù)緊比壓。密封墊采用耐高壓復(fù)合材料（碳素纖維/304不銹鋼），中分面壓力分布見圖18。

中分面經(jīng)修正的螺栓布置及應(yīng)力分布見圖19。

圖18　　中分面壓力分布

圖19　　經(jīng)修正的螺栓布置及應(yīng)力分布

3.4軸承的可靠性設(shè)計

泵的徑向軸承和推力軸承均采用滾動軸承結(jié)構(gòu)，徑向力由圓柱滾子軸承承受，殘余軸向力由一對預(yù)緊的面對面布置的角接觸球軸承來承受，面對面布置的角接觸球軸承集裝在設(shè)計的軸承盒內(nèi)，組成集裝式的軸承盒部件。

3.5機械密封及沖洗組件設(shè)計

針對輸油泵特點，開發(fā)出適用于該泵的機械密封。該密封為高壓集裝式平衡型單端面結(jié)構(gòu)，密封壓蓋帶有狹窄間隙襯套，動靜環(huán)端面采用碳化硅－碳化硅，保證使用壽命不低于25 000 h。并將機械密封沖洗液的取口設(shè)置在泵體兩側(cè)，可獲得較清潔的機封沖洗液。在機械密封沖洗管路設(shè)計有流量變送器，實時監(jiān)控機械密封的沖洗液的沖洗狀態(tài)。

3.6集成化成套設(shè)計

輸油泵是集機、電、儀控系統(tǒng)于一體的集成化輸油設(shè)備，可實現(xiàn)無人值守、遠(yuǎn)程控制。溫度變送器和振動變送器的輸出為4～20 mA電流信號，并配有防雷模塊，提高了一次檢測儀表在野外使用的安全性。

4　實際應(yīng)用

4.1清水試驗

4.1.1大葉輪試驗

2012年初，首臺輸油主泵組裝完成，并在廠內(nèi)試驗臺架完成清水試驗，試驗結(jié)果見表2。

從表2可以看出，該泵的高效區(qū)較寬廣，流量在2 408～3 030.7 m3/h范圍內(nèi)的效率均達(dá)到了設(shè)計要求，在設(shè)計點（額定流量2 871 m3/h）附近泵效率達(dá)到設(shè)計值。

表2　試驗結(jié)果

4.1.2小葉輪試驗

試驗在開式試驗臺上進行，試驗介質(zhì)為常溫清水，試驗轉(zhuǎn)速2 980 r/min，額定工況流量1 435 m2/h，揚程226 m，泵的軸功率為1 038 kW，效率84.77%。

輸油主泵運行2 h后（環(huán)境溫度18℃），驅(qū)動端油池溫度穩(wěn)定在46.5℃，非驅(qū)動端油池溫度穩(wěn)定在48℃。試驗結(jié)果滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。

4.2現(xiàn)場應(yīng)用

2012年9月，該泵被安裝到某原油管道輸油首站5#臺位進行工業(yè)運行考核試驗，2013年3月份進行了輸油泵性能和振動現(xiàn)場驗收測試，同時與相同額定流量和揚程的6#臺位的國外輸油泵進行對比測試。

（1）性能測試。測試結(jié)果表明，受到現(xiàn)場實際運行情況所限，應(yīng)用測試未測試出5#國產(chǎn)泵完整的性能曲線，但是在兩種測試流量下，5#國產(chǎn)泵主要性能接近6#國外泵，達(dá)到了設(shè)計性能要求［3］。

（2）振動測試。為了考察輸油泵機組在各個輸量下的可靠性，共選取了不同輸量下的5個測試點，在2 606.3 m3/h流量下測得的水平振動數(shù)據(jù)見表3。

表3　　水平振動數(shù)據(jù)/（mm·s-1）

從表3可以看出5#泵振動值小于6#泵振動值，振動烈度處于A級（＜1.8 mm/s）。但5#國產(chǎn)輸油泵在運行期間也存在高頻振動（特別是743 Hz、3 500 Hz、7 000 Hz），該噪音可能由原油流體高速通過沖洗管道上的節(jié)流孔板產(chǎn)生高頻振動引起，但未發(fā)生報警。

因而該泵的振動在良好限值和報警值之間，機組振動狀態(tài)可接受（合格），可長期運行。

圖片報道：2 100 kW國產(chǎn)輸油主泵模擬三維圖

5　結(jié)束語

經(jīng)現(xiàn)場試驗和實際運行表明：該國產(chǎn)輸油主泵技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)合理、效率高、環(huán)境適應(yīng)性強、遠(yuǎn)程/現(xiàn)場操作方便、運行平穩(wěn)、振動、溫度參數(shù)值遠(yuǎn)小于報警設(shè)定值，使用效果良好。由于生產(chǎn)運行條件限制，本次考核期間沒有對該泵的小葉輪進行工業(yè)考核，有待選取適當(dāng)時機完成。此外，需進一步優(yōu)化設(shè)計從而降低機械密封沖洗管道上節(jié)流孔板造成的噪音，擇優(yōu)選取機械密封材料，保證長周期運行過程中密封可靠，不發(fā)生泄漏，提高輸油運行安全及經(jīng)濟性。

［1］趙曉剛，李勝強，戴琳，等.石油庫輸油泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究［J］.石油工程建設(shè),2000，26（4）：4-6.

［2］邢世平，陳彬，喻志芳.儀征-長嶺原油管道輸油泵機械密封的匹配性研究［J］.石油工程建設(shè),2011，37（4）：98-100.

［3］劉國豪，姜勇，劉雪峰，等.國產(chǎn)輸油泵現(xiàn)場試應(yīng)用性能測試與分析［J］.油氣儲運，2014，33（7）：762-764.

Development and Industrial Application of 2 100 kWSingle-stage Main Oil Transfer Pump for L ong-distance Pipeline

SHIXingzhi1，QIU Shujuan2，PANG Guiliang1，DU Huadong2，LIU Juntao1
1.PetroChina Western Pipeline Lanzhou Branch，Lanzhou 730070，China
2.PetroChina Western Pipeline Company，Wulumuqi830011，China

During the pipeline transportation of crude oil and product oil，the oil transfer pump is the central equipment providing driving power.Currently，the oil transfer pumps have been monopolized by foreign industries.Therefore，a single-stage oiltransfer pump with the motor power of 2 100 kW and the horizontal twin-volute split centrifugal pump structure has been developed according to the data sheets of the 5#main pump in a certain oil transfer station.This paper introduces the design scheme of each component of the pump，carries out the hydraulic performance design，critical rotation speed calculation and split face seal design of the pump with 3D modeling software UG，F(xiàn)EA Software ANSYS and CFD software CFX，and also illustrates the bearing，the mechanical seal，the rinsing module design and the integrated design.Meanwhile，different sizes of impellers have been tested with fresh water.The oil transfer pump has been applied in field successfully.Compared to the same type of famous foreign oilpumps on performance，efficiency and reliability，this oil transfer pump operates steadily， and the vibration is less than the alarm setting value.It turns out that the pump operates well.In the end，some suggestions of further optimization of the pump are proposed.

oiltransfer pump for pipeline；structure；assessment of industrialoperation

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.021

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化”（2012E-2802）。

史興治（1974-），男，甘肅武威人，高級工程師，2013年畢業(yè)于蘭州大學(xué)管理專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事輸氣生產(chǎn)工作。

Email：shixingzhi@petrochina.com.cn

2015-04-10；

2015-12-08