透平壓縮機(jī)和離心泵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的比較與選用

楊 明

(中國石油物資有限公司，北京 100029)

我國油氣行業(yè)中用到的壓縮機(jī)和泵種類很多,涉及的標(biāo)準(zhǔn)面也很廣。這些流體機(jī)械設(shè)備多按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。壓縮機(jī)按結(jié)構(gòu)可分為容積式和動力式2大類【1】。透平壓縮機(jī)屬于具有回轉(zhuǎn)葉片、輪盤或葉輪的動力式壓縮機(jī)，主要包括離心和軸流2種結(jié)構(gòu)形式。煉油催化主風(fēng)機(jī)、乙烯三機(jī)、長輸管道壓縮機(jī)都是這類壓縮機(jī)的典型應(yīng)用。泵按結(jié)構(gòu)可分為回轉(zhuǎn)動力式、容積式和其他特殊結(jié)構(gòu)等3類。離心泵是回轉(zhuǎn)動力式泵的1種，是行業(yè)用量最大的泵型。管道輸油泵多為離心泵，1個千萬噸的煉油廠需要各類泵約200臺，其中離心泵占比達(dá)83%【2】。

不同標(biāo)準(zhǔn)制造的機(jī)械設(shè)備在質(zhì)量和價格上差別較大，通常1臺按API 610標(biāo)準(zhǔn)制造的離心泵比1臺按ISO 5199標(biāo)準(zhǔn)制造的離心泵在價格上要高出1倍以上。我國標(biāo)準(zhǔn)從級別上分為國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4級，按對象可分為管理標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2大類，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)又可分為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等多個門類。本文主要對油氣行業(yè)中的透平壓縮機(jī)和離心泵(不含無密封離心泵)這類透平機(jī)械設(shè)備適用的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，總結(jié)出這些標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化特征，并給出選用標(biāo)準(zhǔn)的建議，以期實(shí)現(xiàn)設(shè)備采購性價比最優(yōu)的目標(biāo)。

1 透平壓縮機(jī)和離心泵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較

1.1 透平壓縮機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較

油氣行業(yè)透平壓縮機(jī)主要適用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

從表1可以看出，透平壓縮機(jī)現(xiàn)行的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)都是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從采標(biāo)情況看， SY/T 6651和JB/T 6443都是等同采用(IDT)美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API 617—2002的。SH/T 3144是在API 617—2002的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了一些技術(shù)規(guī)定，適用范圍僅限于離心/軸流式壓縮機(jī)一類機(jī)型。API 617—2002這版標(biāo)準(zhǔn)和之前版本最顯著的不同是增加了適用物資范圍(擴(kuò)大至軸流/離心式壓縮機(jī)、整體式齒輪增速離心壓縮機(jī)和膨脹機(jī)-壓縮機(jī)等3類機(jī)型)，標(biāo)準(zhǔn)整體結(jié)構(gòu)分為4個部分(第一部分是通用要求，其他3個部分針對3類機(jī)型提出具體要求)。另外API 617—2002在設(shè)備設(shè)計、制造、動力學(xué)等方面的技術(shù)要求也有所提高，比如設(shè)備不間斷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時間由3年提高至5年、轉(zhuǎn)子動力學(xué)部分的規(guī)定也增加了大量篇幅。JB/T 4359最早是等同采標(biāo)ISO 8011—1988的，僅適用于介質(zhì)為空氣的軸流式壓縮機(jī)，它在特殊工況下的材料選擇、轉(zhuǎn)子帶阻尼不平衡響應(yīng)分析及穩(wěn)定性分析、性能試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等方面的規(guī)定，與API 617標(biāo)準(zhǔn)相比要簡單一些。

表1 透平壓縮機(jī)適用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

透平壓縮機(jī)輸送各種工藝氣體時，為了防止或限制這些氣體沿壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)軸泄漏到大氣中，就必須采用軸端密封，保證運(yùn)行安全。透平壓縮機(jī)一般選用迷宮密封、浮環(huán)密封、機(jī)械密封、干氣密封等類型的密封。干氣密封這類非接觸式密封，由于具有可靠性高、無油污染、功率消耗低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已成為危險性氣體軸端密封的主要選擇。SY/T 6651標(biāo)準(zhǔn)中對各類軸端密封都做了詳細(xì)規(guī)定，并附了典型的結(jié)構(gòu)剖面圖。而JB/T 11289僅適用于干氣密封一種類型，但對應(yīng)壓縮機(jī)和泵兩類應(yīng)用，在密封設(shè)計、制造、檢驗(yàn)、泄漏標(biāo)準(zhǔn)等方面的規(guī)定還比較詳細(xì)。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25630—2010是等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5389—2005的，是透平壓縮機(jī)性能試驗(yàn)的準(zhǔn)備、過程以及評定所應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程。API 617—2002在壓縮機(jī)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中也認(rèn)可ISO 5389標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但首選的性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還是美國標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC-10—1997。實(shí)際上，ISO 5389是結(jié)合了美國標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC-10和德國工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)VDI 2045的相關(guān)規(guī)定而形成的國際標(biāo)準(zhǔn)，它更注重于通過相似理論將試驗(yàn)結(jié)果中的測量值換算成保證條件，以驗(yàn)證結(jié)果的保證程度。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 3165與ASME PTC-10是非采標(biāo)關(guān)系，雖然這兩個標(biāo)準(zhǔn)都將試驗(yàn)類別劃分為合同指定氣體和代用氣體2類，但ASME PTC-10在氣體計算公式、換算模型推薦、壓縮機(jī)段間冷卻模型處理等相關(guān)規(guī)定上更加詳實(shí)。

1.2 離心泵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較

油氣行業(yè)離心泵主要適用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 離心泵適用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

從表2可以看出，GB/T 16907、GB/T 5656和GB/T 5657這3個標(biāo)準(zhǔn)分別等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9905、ISO 5199和ISO 9908，實(shí)際上就是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織依據(jù)可靠性、操作條件等因素劃分出的3類離心泵。這3類泵在設(shè)計、制造和驗(yàn)收規(guī)定上都是不一樣的，其中Ⅰ類最嚴(yán)格，Ⅲ類最寬松。我國油氣行業(yè)常用的是ISO標(biāo)準(zhǔn)的第Ⅱ類泵，也就是國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5656—2008(ISO 5199)規(guī)定的這類離心泵。這個標(biāo)準(zhǔn)引用了GB/T 5662—2013(ISO 2858)、GB/T 5660—2013 (ISO 3661)和GB/T 3216—2016 (ISO 9906)，囊括了這類泵完整的結(jié)構(gòu)與水力性能試驗(yàn)規(guī)定。GB/T 3215—2007等同采用美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API 610—2004，按該標(biāo)準(zhǔn)制造的泵就是常說的API離心泵。下面通過表3簡單對比一下GB/T 3215和GB/T 5656這2個離心泵標(biāo)準(zhǔn)。

表3 GB/T 3215—2007和GB/T 5656—2008比較

從表3看， GB/T 3215適用的離心泵類型更多，各項技術(shù)指標(biāo)更嚴(yán)格，提出的要求和驗(yàn)證程序更具體； GB/T 5656所適用的泵最高工作壓力相對低，且選材、軸封沒有給出具體指南，而諸如“滿足工況要求，滿足訂單要求”這樣原則性要求多，給出的技術(shù)指標(biāo)也相對低一些。

在表3中出現(xiàn)的軸封標(biāo)準(zhǔn)ISO 21049， 實(shí)際上與API 682是等同的， 而GB/T 34875—2017又是等同采用ISO 21049—2004的， 所以這3個標(biāo)準(zhǔn)是一致的。ISO 21049(API 682)適用的密封腔工作范圍為： 溫度—40～400 ℃、 壓力4.2 MPa(絕)以下， 軸徑范圍為20～110 mm。密封按尺寸和工作范圍分為3種類別， 按密封件構(gòu)成分為A、 B和C型3種型式， 按布置方式分為單端面、 無壓雙重和有壓雙重密封3種結(jié)構(gòu)。這個標(biāo)準(zhǔn)對3種類別的密封在選型、 選材、 認(rèn)定試驗(yàn)等方面作出了詳細(xì)規(guī)定， 保證所選密封能夠達(dá)到連續(xù)運(yùn)行3年的可靠性要求， 泄漏量指標(biāo)為： 每對密封面允許逸出氣體體積濃度1 000 mL/m3(采用EPA方法21測定)，液體平均泄漏量為5.6 g/h(2滴/min)。我國泵用機(jī)械密封標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1472適用的密封腔工作范圍為：溫度0～80 ℃、壓力3 MPa 以下，軸徑范圍為16～120 mm。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了7種單端面密封型式，適用轉(zhuǎn)速不大于3 000 r/min，泄漏量指標(biāo)為：軸外徑50 mm以內(nèi)，泄漏量不大于3 mL/h；軸外徑大于50 mm，泄漏量不大于5 mL/h。由此可以看出：JB/T 1472規(guī)定的密封的最高工作溫度比ISO 21049(API 682)規(guī)定的第一類密封低不少，而工作壓力是相當(dāng)?shù)?。如果? mL水等于25滴考慮，則這2個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液體允許泄漏量指標(biāo)是相當(dāng)?shù)?。需要指出的是：ISO 21049(API 682)規(guī)定要用水，丙烷，20%濃度氫氧化鈉，冷、熱礦物油等5種試驗(yàn)液體進(jìn)行一系列的靜、動態(tài)試驗(yàn)來認(rèn)定密封性能是否達(dá)標(biāo)；而JB/T 1472僅規(guī)定用常溫清水完成密封泄漏試驗(yàn)。有研究顯示，密封泄漏量隨著介質(zhì)粘度的增加而增加【19】。從這個角度看，ISO 21049(API 682)的認(rèn)定試驗(yàn)更嚴(yán)謹(jǐn)、更貼近實(shí)際應(yīng)用。

SH/T 3139在開篇針對于石油化工用重載荷離心泵作出了定義， 即“泵送介質(zhì)為易燃或危險的； 或泵操作條件超出任一限制的： 額定排出壓力大于1.9 MPa(表)、 操作溫度大于等于225 ℃、額定轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min、 額定揚(yáng)程大于120 m、最高吸入壓力大于0.5 MPa(表)、 懸臂泵最大葉輪直徑大于330 mm； 或用作液力回收透平的泵”， 并規(guī)定重載荷離心泵遵循產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)ISO 13709(API 610)以及SH/T 3139的補(bǔ)充技術(shù)規(guī)定。這些補(bǔ)充技術(shù)規(guī)定大多是對ISO 13709(API 610)標(biāo)準(zhǔn)選項條款的確定[如泵出、 入口法蘭力與力矩是ISO 13709標(biāo)準(zhǔn)的2倍， 軸封選用ISO 21409(API 682)的二類密封等]。SH/T 3140在開篇對石油化工用中、輕載荷離心泵作出了定義， 定義條件基本與SH/T 3139規(guī)定的重載荷條件相反， 并規(guī)定中、 輕載荷離心泵遵循產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)ISO 5199以及SH/T 3140的補(bǔ)充技術(shù)規(guī)定[比如泵出、 入口法蘭力與力矩等同ISO 13709， 軸封選用ISO 21409(API 682)的一類密封等]。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選用建議

對于標(biāo)準(zhǔn)的不同之處，上文已進(jìn)行了比較，那么，在項目設(shè)計、采購中如何選用相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)呢？這個問題要從2個方面來回答：一個是不同標(biāo)準(zhǔn)間的取舍，另一個是單個標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)選項條款的確定。

煉油催化裝置主風(fēng)機(jī)選用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4359是合適的， 國內(nèi)主要軸流式空氣壓縮機(jī)供貨商也是這個標(biāo)準(zhǔn)的主起草單位。而其他透平壓縮機(jī)遵循的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)以SY/T 6651、 JB/T 6443為主， 這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)又都是等同采標(biāo)API 617標(biāo)準(zhǔn)的， 所以這類設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)選用重點(diǎn)就在于對API標(biāo)準(zhǔn)選項條款的確定上。主要選項條款包括選擇機(jī)型， 確認(rèn)氣動模型和性能曲線； 選擇材料， 轉(zhuǎn)子動力學(xué)達(dá)標(biāo)； 選擇密封，確定試驗(yàn)方法與程序等。壓縮機(jī)采購時要重點(diǎn)評價供貨商對買方提出標(biāo)準(zhǔn)的偏離， 尤其是對新機(jī)型壓縮機(jī)， 確認(rèn)偏離時更應(yīng)從嚴(yán)。多年來正是依靠對標(biāo)國際先進(jìn)技術(shù)、 嚴(yán)格落實(shí)制造標(biāo)準(zhǔn)這條經(jīng)驗(yàn)， 我國實(shí)現(xiàn)了百萬噸乙烯三機(jī)、 20 MW級管道壓縮機(jī)等重大裝備國產(chǎn)化的卓越成果。對于氣動模型已建立且經(jīng)過運(yùn)行檢驗(yàn)的壓縮機(jī)， 在確認(rèn)技術(shù)偏離時， 可由買賣雙方根據(jù)設(shè)備應(yīng)用情況并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性因素自行協(xié)定。

離心泵標(biāo)準(zhǔn)選用要遵循以下3個原則：

1) 判定是不是重載荷工位泵，從而科學(xué)選用相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。重載荷意味著泵運(yùn)行可靠且性能穩(wěn)定，泵送介質(zhì)安全性要求高，參數(shù)和操作條件達(dá)到SH/T 3139標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。重載荷工位泵要遵循產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)API 610(GB/T 3215)、ISO 21409(API 682)。典型重載荷工位泵有油田管道項目用的給油泵、輸油泵、各類輕烴泵，煉油乙烯裝置用的塔底泵、油漿泵、進(jìn)料泵、高壓鍋爐給水泵、低溫筒袋泵、立式高速泵等，這里不能一一列舉，可根據(jù)對重載荷的定義自行判定。非重載荷工位泵應(yīng)遵循的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是ISO 5199(GB/T 5656)，典型用泵有環(huán)保或給排水專業(yè)的水泵、非腐蝕液體泵、排污泵等。

2) 做到適度選用標(biāo)準(zhǔn)。為了增加質(zhì)量裕度，提出過于苛刻的NPSHR要求、能用單端面密封的改用雙端面密封或者提出泵法蘭受力載荷倍數(shù)過大等標(biāo)準(zhǔn)選項條款是沒有必要的。標(biāo)準(zhǔn)選用應(yīng)滿足生產(chǎn)和環(huán)保需要，做到適用、適度。

3) 結(jié)合供貨商承諾的出廠標(biāo)準(zhǔn)，做到選用結(jié)果符合市場實(shí)際。原油或成品油管道長距離輸送多采用密閉、泵串聯(lián)方式。管道輸油泵操作條件的特點(diǎn)是輸送流量范圍大、壓力高、工況多變，泵密封承壓也很高。國產(chǎn)大功率管道輸油泵密封多按照API 682標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，多選用單端面機(jī)械密封配PLAN31+PLAN65沖洗方案【20】。在實(shí)際應(yīng)用中，受工況多變和現(xiàn)場條件影響，國產(chǎn)輸油泵密封承諾的壽命和泄漏標(biāo)準(zhǔn)能達(dá)到JB/T 1472標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但在可靠性和穩(wěn)定性指標(biāo)上和API標(biāo)準(zhǔn)相比還有一定差距。

3 結(jié)語

選用什么技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是買方需求的體現(xiàn)，反映的是買方為保證所購物資滿足質(zhì)量要求而提出的技術(shù)要約。選定后的標(biāo)準(zhǔn)也成為供貨商組織產(chǎn)品生產(chǎn)和交付驗(yàn)收的依據(jù)。選標(biāo)準(zhǔn)意味著選質(zhì)量，同時也意味著選采購成本。透平壓縮機(jī)和離心泵這類透平機(jī)械多為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的關(guān)鍵設(shè)備，在項目建設(shè)中應(yīng)追求采購性價比最優(yōu)的目標(biāo)。能夠科學(xué)、適度且符合實(shí)際地選用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的根本保障。