原油输送离心泵的选用

张国钊

（上海寰球石油化学工程有限公司，上海 200032）

原油输送离心泵的选用

张国钊

（上海寰球石油化学工程有限公司，上海 200032）

原油输送离心泵是原油库区设计的重要组成部分，为了其选用的合理性，从离心泵整套机组的各个组成部分——密封、联轴器、电动机的配置方面进行了分析，给出了选择依据和电动机功率的选用方法，为原油输送离心泵的选用提供了良好的理论指导。

离心泵;原油;机械密封;电动机;联轴器

原油输送离心泵是原油库区中进行原油储运的大型关键设备，它主要用于原油的输送，油罐的倒罐，原油的装卸等。由于原油输送离心泵具有初次投资大，运行周期长，功率消耗大等特点，因此该设备的合理选用对整个原油库区起着至关重要的作用。

1 原油输送离心泵的工艺参数及主要结构

原油输送离心泵的主要工艺参数如表1所示。

表1 泵的主要工艺参数

该泵采用API610标准中的BB1型泵[1]，主要由泵体、叶轮、泵轴、轴承、密封、联轴器和电动机等几部分组成。此离心泵的壳体是水平轴向剖分的双蜗壳，水平轴向剖分可增加输油泵使用维护的方便性，双蜗壳可有效地平衡径向力。泵壳支承方式为两端接近中心线的支承，可确保输油泵运行平稳并减小泵的振动和噪音，使泵能够长时间连续运行，并能保证泵轴和电动机轴的同心度。叶轮为双吸式单级叶轮，双吸式叶轮可有效地平衡泵的轴向力。材料选择了API610标准附录H的S-6等级。泵的轴承采用了稀油自润滑的滑动轴承，在非驱动端还设有两个背对背安装的推力球轴承，以承受转子的剩余轴向力。输油泵还设有电伴热，以保证介质温度能在一定的温度范围内，否则原油由于温度降低而使粘度升高，不利于输送。

2 密封的选用

轴封是防止泵轴与壳体处泄漏而设置的密封装置。常用的轴封种类有填料密封、动力密封和机械密封等形式。填料密封结构简单、价格便宜、维修方便，但泄漏量大、功耗损失大。因此填料密封用于输送一般介质，如水;一般不适用于石油及化工介质。动力密封性能可靠，价格便宜，维修方便，适用于输送含有固体颗粒较多的介质。缺点是功率损失较机械密封大，且其停车密封装置的寿命较短。机械密封具有性能可靠、泄漏量小、使用寿命长、功耗低、维修率低、对轴（轴套）磨损小，适用温度、压力、泵速的范围宽，满足各种腐蚀性介质及含固体颗粒介质等苛刻工况的密封要求，且随着国内机械密封业的发展，不管是国产泵还是进口泵，机械密封已能实现国产化，具有明显的性价比优势，因此机械密封成为最通用的密封形式。

机械密封是由两块密封元件 （静环和动环）垂直于轴的光滑而平直的表面相互贴合，并做相对转动而构成的密封装置，如图1所示。它是靠压紧元件（弹簧）和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触面上产生适当的压紧力，使这两个端面紧密贴合，端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。这层液体膜具有流体动压力与静压力，起着润滑和密封的作用。

图1 单端面机械密封示意图

机械密封按照液体压力平衡情况可分为平衡型和非平衡型机械密封。平衡型机械密封端面所受作用力随介质压力的升高而升高的斜率小于1，而非平衡型机械密封的升高斜率大于1，见图2。平衡型密封能部分平衡介质液体对机封端面的压力，端面比压随液体压力的上升而缓慢上升，它能够降低端面上的磨损，承载能力相对较大，可用于高压场合。对非平衡型机械密封，在介质压力较高的情况下，因其端面作用力较大，密封面磨损较快，故不建议用于高压工况，只能用于低压场合，一般最高压力为 0．5～0．7MPa[2]。 但对那些润滑性较差、沸点低、易气化的介质，即使压力较低，也应选用平衡型机械密封，其主要原因是由于非平衡型机械密封在密封腔压力上升时，会将两摩擦副端面密封面上的液膜挤出，使其密封面很快出现磨损。

图2 平衡型和非平衡型机械密封结构

机械密封也可按照密封腔中摩擦副的对数及型式可分为单端面机械密封（如图1）、双端面机械密封及串联式机械密封（如图3）。单端面机械密封只有一对摩擦副，结构简单，装拆容易，一般只需设置内冲洗系统，不需要外冲洗液系统。双端面机械密封有两对摩擦副，结构较复杂，需要外冲洗液系统，需在密封腔内通入隔离液（对双端面机械密封）或缓冲液（对串联式机械密封），起润滑密封面的作用。

图3 双端面和串联式机械密封

由于原油罐区工程中没有任何外冲洗液，且原油的介质粘度较大，因此原油输送离心泵选用了无需外冲洗系统的平衡型单端面机械密封。

由于介质的密度、粘度以及腐蚀性等特点，使密封端面材料受到了限制，表2中给出了常温下不同介质动、静环材料组合[3]。

表2 常温下不同介质可选用的材料组合

由于原油介质的粘度大，依据表2选用机械密封的摩擦副为碳化钨对碳化硅，此摩擦副耐磨性较好，可以最大限度地延长密封使用寿命。根据表3中列出的静密封用O形圈常用材质的应用情况[4]，O形圈采用了氟橡胶材料。

机械密封的动环和静环端面互相摩擦，不断产生摩擦热，使密封面温度升高，对密封造成不良影响。为了消除摩擦热影响，降低密封腔温度，防止液膜气化，改善润滑条件，防止杂质集积和气囊形成，保证密封正常工作，延长使用寿命，还必须对密封进行冲洗。

表3 O形密封圈常用材质及其适用范围

冲洗有内冲洗和外冲洗。内冲洗是利用泵内部压力较高处（通常是泵出口）的液体作为冲洗液来冲洗密封腔，这是最常用的冲洗方法。外冲洗是利用外来冲洗液注入密封腔进行冲洗，这种方法可用于高温、腐蚀性强和含固体颗粒的液体。由于此原油库区中没有合适的外冲洗液，所以采用了API682标准中Plan11和Plan65[5]的综合方案。因为该原油输送离心泵已设计了伴热系统，油品的温度和粘度都可以得到保证，另外，泄漏管路也采用了保温措施，泄漏油品也不会在常温下凝固而影响密封的寿命。Plan11冲洗管路中，采用了双道节流孔板，以加大节流孔的直径，减少节流孔板堵塞的可能。为防堵塞，还可在节流孔板两边加装差压变送器实现检测。Plan65设置了密封泄漏报警装置，一旦密封泄漏，控制室内就可以得到报警，从而可采取相应措施来解决密封泄漏问题。此方式已经应用于很多设计，效果较好。

3 联轴器的选用

联轴器是泵机组中使泵轴与原动机轴互相联接并传递功率的部件。联轴器选择是否恰当，关系到泵组的效率和安全、稳定运行。联轴器的种类众多[6~7]，泵用联轴器一般选用挠性联轴器，目的是传递功率，补偿泵轴与电机轴的相对位移，降低对联轴器安装的精确对中要求，缓和冲击，改变轴系的自振频率和避免发生危害性振动等。泵常用的挠性联轴器型式有爪型弹性联轴器、弹性柱销联轴器和膜片联轴器等。

爪型弹性联轴器的特点是体积小，重量轻，结构简单，安装方便，价格低廉。常用于小功率及不太重要的场合。弹性柱销联轴器是利用若干非金属弹性材料制成的柱销，置于两半联轴器凸缘孔中，通过柱销实现两半联轴器联接，该联轴器结构简单，安装方便，更换容易，尺寸小，重量轻，适用于中速传动轴系，不适用于工作可靠性较高的工况。膜片联轴器如图4所示，它采用几组厚度很薄的金属膜片制成各种形状，用螺栓分别与主从动轴上的两半联轴器联接。膜片联轴器靠膜片的弹性变形来补偿所联两轴的相对位移，是一种高性能的金属弹性元件挠性联轴器，不用润滑和维护，结构紧凑，强度高，抗高温，抗不对中性能好，可靠性高，传动扭矩大，适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动。

图4 膜片联轴器结构

由于原油输送离心泵功率较大，以及使用时的工作条件和泵的结构要求和安装、维修的方便性，采用带加长段的膜片联轴器，加长段可确保拆卸联轴器、轴承部件、机械密封等零件时不用拆卸电动机。联轴器的防护罩用无火花的不锈钢制成，确保使用安全可靠。

4 电动机的选用

驱动机的种类很多，如电机、汽轮机、柴油机等。化工行业中使用最多的是电动机。除了机械的负载性质和生产工艺对电机的启动、制动、运转、调速等要求以及温度、湿度、海拔、防爆、防护等使用场所的环境条件外，电动机功率的选择至关重要。电机功率选得过小，会引起离心泵过载而烧坏电机;而电机功率选得过大，会造成电能的浪费。

泵的功率是指输入功率，即电机传递到泵轴上的功率，也称为轴功率。对于离心泵的轴功率计算公式为:

式中:H——泵的额定扬程，m;

Q——泵的额定流量，m3·s－1;

ρ——介质密度，kg·m－3;

η——泵额定工况下的效率;

Pa——泵额定工况下的轴功率，kW。

根据泵的性能曲线查出泵额定工况下的效率为83%，把表1的相关参数带入公式（1）中得轴功率为:

在确定电动机的功率时，电动机的功率须留有一定的安全裕量，电动机的配用功率一般按下式计算:

式中:ηt——泵传动装置效率，见表4[8];

K——原动机功率裕量系数。功率裕量系数不小于表5中的值。

表4 泵传动装置效率ηt

表5 离心泵功率裕量系数K

原油输送离心泵采用直联，由表4和表5可求出电动机的配用功率为:

根据配用功率，向上靠电动机的标准功率，即得电动机的功率为450kW。由于泵与电动机直联传动，因此所需电动机转速由泵转速来确定。

5 结语

轴承、密封及其冲洗、联轴器和电机是原油输送离心泵的重要组成部分，只有对其选用合理，才能保证原油输送离心泵的稳定运行，从而保证原油罐区的正常运行。

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

[2] 张巍，潘立斌，张旭东．离心泵机械密封的选用[J]．石油化工设备，2007，36（3）:75-78．

[3] 郭臣，沈梅．矿用泵轴机械密封的选用[J]．煤矿机械，2002，（12）:74-75．

[4] 田志伟，李海权．化工泵的轴封腔设计及轴封选型[J]．通用机械，2004，（6）:62-64．

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

[6] 文斌．联轴器设计选用手册[M]．北京:机械工业出版社，2009:2-9．

[7] 陈松，徐文峰．浅谈泵用联轴器的选型[J]．水泵技术，2003，（5）:27-31．

[8] 全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会．工业泵选用手册[M]．北京:化学工业出版社，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

张国钊（1979-），男，汉族，山东人，硕士，工程师，主要从事石油化工行业转动设备的工程设计和研究工作

2011-04-13