離心泵吸入比轉(zhuǎn)速限值探討

陳偉

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

當(dāng)工程公司、設(shè)計院對汽蝕余量有較高要求時，就需要泵廠提供更好吸入性能的泵，吸入比轉(zhuǎn)速高的泵。如果泵的水力設(shè)計不理想，在偏離設(shè)計工況運(yùn)行時，液體會產(chǎn)生回流、脫流、甚至汽蝕，造成泵的振動超標(biāo)。為了改善離心泵的吸入性能，泵廠設(shè)計人員可通過采用雙吸式葉輪、降低泵轉(zhuǎn)速、加大葉輪進(jìn)口直徑D1等方法來實現(xiàn)。在軸徑相同、葉輪口環(huán)處的直徑間隙相同的情況下，吸入性能越好（ 葉輪入口面積越大，吸入比轉(zhuǎn)速越高），則葉輪口環(huán)處的間隙面積越大，意味著回流加大，泵的不穩(wěn)定運(yùn)行的可能性加大，振動加大，同時泵的泄漏量加大，泵的效率降低。

為此石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3139—2019[1]或SH/T 3140—2011[2]對吸入比轉(zhuǎn)速S限值有明確的要求，將限值定為12 780（ m3/h， m）。

1 吸入比轉(zhuǎn)速的定義

吸入比轉(zhuǎn)速（Suction Specific Speed），也稱汽蝕比轉(zhuǎn)速，常用S或用C表示，是一個衡量離心泵吸入性能的指標(biāo)。該指標(biāo)與離心泵轉(zhuǎn)速、流量和必需汽蝕余量NPSH3有關(guān)，S越大，表明吸入性能越好。不同地區(qū)或國家的計算公式和單位之間有些差異，詳見表1。本文以歐美歐洲公制的吸入比轉(zhuǎn)速S限值（m3/ h，m）為對比討論值。

表1 不同計算公式和單位下的吸入比轉(zhuǎn)速限值及其換算Table 1 Limits and conversion of suction specific speed under different calculation formulas and units

2 業(yè)主、工程公司規(guī)定的吸入比轉(zhuǎn)速限值

2.1 吸入比轉(zhuǎn)速限值的由來

美國Jerry Hallam 于1983 年在期刊Oil and GasJournal 發(fā)表的論文《吸入比轉(zhuǎn)速在泵的故障率中的重要性》[3]中介紹了墨西哥灣沿岸某煉油廠480 多臺泵為期5 年的調(diào)查結(jié)果：離心泵的可靠性與吸入比轉(zhuǎn)速相關(guān)明顯，當(dāng)泵的吸入比轉(zhuǎn)速S＞12 780（美制11 000）時，出現(xiàn)故障的概率是較低吸入比轉(zhuǎn)速的2 倍。建議除非離心泵能控制在最佳效率點(diǎn)流量的60% ～ 70%以上運(yùn)行，否則買方應(yīng)慎重選用吸入比轉(zhuǎn)速S＞12 780（美制11 000）的離心泵。此文發(fā)表后被工程公司、石油公司廣泛采用，成為石油化工行業(yè)離心泵工程公司、石油公司通行的要求。

2.2 業(yè)主、工程公司的要求

2.2.1 UOP 規(guī)范

UOP 規(guī)范[4]規(guī)定，泵的吸入比轉(zhuǎn)速S≤12 780（美制11 000）；當(dāng)輸送介質(zhì)為水或水含量超過50%的溶液，并且泵的單級葉輪功率超過100 HP（75 kW）時，吸入比轉(zhuǎn)速不得高于11 040（美制9 500）。對于高速泵（OH6 型泵），吸入比轉(zhuǎn)速限值為27 880（美制24 000）。

2.2.2 Foster Wheeler 公司規(guī)范

Foster Wheeler 公司規(guī)定[5]，離心泵的吸入比轉(zhuǎn)速應(yīng)≤12 780（美制11 000），當(dāng)泵有可能在最佳效率點(diǎn)流量的30%或以下操作時，泵的吸入比轉(zhuǎn)速應(yīng)≤11 620（美制10 000）。超出限值時，應(yīng)得到買方審查和批準(zhǔn)。

2.2.3 國際工程公司協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)

國際工程公司協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)PIP RECP 規(guī)定[6]，泵的吸入比轉(zhuǎn)速S＞12 780（美制11 000）時需得到買方批準(zhǔn)。賣方的技術(shù)報價中應(yīng)規(guī)定最小連續(xù)流量、最大操作流量，并提供業(yè)績說明。

2.2.4 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn)SH/T 3139—2019 或SH/T 3140—2011

筆者參與編寫的石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3139—2019 的5.1.13 條明確規(guī)定，對于不帶誘導(dǎo)輪的泵，其吸入比轉(zhuǎn)速S應(yīng)≤12 780，當(dāng)S＞12 780 時，如果制造廠有數(shù)據(jù)證明其可靠性，可提供替代設(shè)計，但應(yīng)經(jīng)買方批準(zhǔn)。SH/T 3140—2011 也有類似的規(guī)定。

2.2.5 API 610—2009

API 610—2009（第11 版）[7]第6.1.9 條規(guī)定：吸入比轉(zhuǎn)速按附錄A 計算，如果買方有要求，其值應(yīng)列在數(shù)據(jù)表上。2021 年1 月頒布的API 610—2021（第12 版）[8]第6.1.11 條對此有了更明確的要求：當(dāng)買方對吸入比轉(zhuǎn)速有限值要求時，賣方應(yīng)按附錄A 計算吸入比轉(zhuǎn)速，且其值應(yīng)小于限值。

3 泵廠對吸入比轉(zhuǎn)速限值看法

3.1 泵廠的統(tǒng)計

表2 是EBARA 公司對2011 年前出廠的2 244臺離心泵吸入比轉(zhuǎn)速和小流量下發(fā)生振動情況的統(tǒng)計。可以看出，對于BB2 型泵，當(dāng)吸入比轉(zhuǎn)速S＞13 000 （m3/h，m）有9%的泵在出廠試驗或用戶現(xiàn)場運(yùn)行時發(fā)生小流量下振動超標(biāo)，可見吸入比轉(zhuǎn)速限值的必要性。

表2 EBARA 公司不同吸入比轉(zhuǎn)速下的離心泵吸入比轉(zhuǎn)速可靠性情況 [9]Table 2 Reliability of EBARA centrifugal pumps for different suction specific speed

3.2 泵廠的吸入比轉(zhuǎn)速范圍

泵廠認(rèn)為隨著技術(shù)的發(fā)展，在不加大葉輪進(jìn)口直徑，可以通過以下等方法改善泵的吸入性能[9]：①葉輪葉片向泵入口邊延伸；②采用后掠葉片；③采用三維扭曲葉片；④優(yōu)化葉輪葉片前緣輪廓。因此泵廠的吸入比轉(zhuǎn)速范圍一般會超出業(yè)主、工程公司規(guī)定的限值。

如KSB 公司對于常規(guī)離心泵的吸入比轉(zhuǎn)速給出的限值為12 000 （m3/h， m），高值為14 400（m3/h， m）。

SULZER 公司針對不同型式的離心泵，吸入比轉(zhuǎn)速限值給出低值-中值-高值。如OH 型泵，吸入比轉(zhuǎn)速限值為11 400-13 800-16 200（m3/h， m）；BB泵，吸入比轉(zhuǎn)速限值為10 200-12 000-14 400（m3/h，m），加設(shè)誘導(dǎo)輪，吸入比轉(zhuǎn)速限值為21 000-30 000-42 000 （m3/h， m）。

EBARA 公司，則給出吸入比轉(zhuǎn)速的限值范圍，對于OH2 型泵，吸入比轉(zhuǎn)速限值為7 000 ～ 14 000；對于BB2 型泵，吸入比轉(zhuǎn)速限值為8 000 ～ 14 500（m3/ h， m）。

4 工程實例

2017 年我公司設(shè)計的天津某石化項目采購了某國際知名泵公司的2 臺BB2 雙吸雙蝸殼離心泵，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，性能參數(shù)見表3。

表3 某BB2 雙吸離心泵參數(shù)表Table 3 The BB2 pump's performance parameters

圖 1 BB2 離心泵三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Three dimension structure of BB2 pump

2018 年3 月，泵在現(xiàn)場試運(yùn)轉(zhuǎn)時，發(fā)現(xiàn)振動超標(biāo)。在流量為275 ～ 500 m3/h 區(qū)間運(yùn)行時，振動值普遍在8 mm/s 以上，且極不穩(wěn)定，忽高忽低。

在排除聯(lián)軸器對中、軸承問題、底座水平度、底座灌漿因素后，經(jīng)頻譜分析，發(fā)現(xiàn)4 倍頻下泵的振幅最高。該泵葉輪為4 葉片，4 倍頻為葉頻（葉片通過頻率）。經(jīng)業(yè)主、工程公司、泵廠技術(shù)人員討論，認(rèn)為是流體激振引起的振動超標(biāo)，并形成3 個改造方 案。

（1）該泵出廠試驗的振動值在4 mm/s 以下，勉強(qiáng)合格。泵廠認(rèn)為可以通過改變進(jìn)出口管線剛度、底座剛度來改善振動。

（2）該泵出口管徑6 in 直接變徑到12 in，經(jīng)CFD 分析，泵廠認(rèn)為這樣會引起出口處液體回流，造成壓力脈動。要求業(yè)主整改成6 in 先變徑到10 in，再由10 in 變徑到12 in。

（3）該泵的隔舌數(shù)量為2，葉輪葉片數(shù)為4，沒有互為質(zhì)數(shù)，要求泵廠改用5 葉片葉輪。認(rèn)為葉頻振動主要是隔舌處的壓力脈動引起的，5 葉片葉輪與隔舌數(shù)量互為質(zhì)數(shù)，理論上可以有效降低隔舌處的壓力脈動幅值[10-12]。

方案1、2、3 同步進(jìn)行。為了配合改造，將有效汽蝕余量NPSHa提高到了7.7 m。方案1、2 實施后，振動沒有改善；方案3 實施后，在全流量范圍內(nèi)，各測點(diǎn)的振動值均小于2.5 mm/s，整改成功。這表明壓力脈動激發(fā)的高頻振動很難通過改變管路和底座固有頻率的方法解決，采取措施降低流體激振源（壓力脈動）更有效。

振動問題發(fā)生在3 月份，整改結(jié)束已是12 月，延誤了工期。該泵的吸入比轉(zhuǎn)速為12 070（美制），相當(dāng)于14 025（m3/h， m），遠(yuǎn)超吸入比轉(zhuǎn)速限值。如果嚴(yán)格執(zhí)行吸入比轉(zhuǎn)速限值要求，加大對供應(yīng)商報價技術(shù)資料的評審，也許會避免問題的發(fā)生。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

（1）用戶對泵汽蝕要求過高時，會給泵設(shè)計者帶來困難，輕者泵的效率下降，重者造成泵入口處回流加劇，振動超標(biāo)。

（2）為了避免發(fā)生小流量下泵的振動超標(biāo)，嚴(yán)格執(zhí)行離心泵吸入比轉(zhuǎn)速限值非常必要。

（3）對于泵廠吸入比轉(zhuǎn)速超過12 780（m3/h，m）的報價，不剛性否決。如果泵廠確實有經(jīng)驗，可提供以下材料，提交業(yè)主和工程公司審查。

a）改善泵吸入性能的方式。

b）隔舌與葉輪間的間隙設(shè)計。

c）葉輪葉片數(shù)設(shè)計。

d）類似工況的業(yè)績。

e）CFD 模擬水力性能情況。

（4）對于審查通過的高吸入比轉(zhuǎn)速泵，應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行全流量性能試驗，在性能試驗過程中，從最小流量到最大流量整個區(qū)間進(jìn)行5 ～ 1 000 Hz 范圍的振動測量和快速傅里葉變換（FFT）測量。（注：至少應(yīng)測量5 個點(diǎn)的參數(shù)，這5個點(diǎn)應(yīng)包括最小流量點(diǎn)、最大流量點(diǎn)以及額定流量點(diǎn)。快速傅里葉變換頻譜應(yīng)包括從5 Hz 到2Z倍運(yùn)行轉(zhuǎn)速的頻率范圍，這里Z為葉輪葉片數(shù)。）

5.2 建議

為了保證離心泵可靠運(yùn)行，以下建議供業(yè)主和工程公司參考。

（1）用戶可根據(jù)吸入比轉(zhuǎn)速限值12 780（m3/h，m）來倒算計算汽蝕余量，必要時調(diào)整吸入罐壓力、液位、安裝高度，以提高NPSHa值，并確認(rèn)不留過多的安全余量。

（2）泵的最小連續(xù)流量一般是最佳效率點(diǎn)流量的25% ～ 35%，但對于高吸入比轉(zhuǎn)速的泵，其最小連續(xù)流量會遠(yuǎn)大于該值，應(yīng)按泵廠提供的最小連續(xù)流量確定回流量。

（3）對于高吸入比轉(zhuǎn)速離心泵建議在最佳效率點(diǎn)流量50% ～ 100%下工作，有條件時，泵最好在最佳效率點(diǎn)流量75% ～ 100%下工作。