透平压缩机和离心泵技术标准的比较与选用

杨 明

(中国石油物资有限公司，北京 100029)

我国油气行业中用到的压缩机和泵种类很多,涉及的标准面也很广。这些流体机械设备多按照结构进行分类。压缩机按结构可分为容积式和动力式2大类【1】。透平压缩机属于具有回转叶片、轮盘或叶轮的动力式压缩机，主要包括离心和轴流2种结构形式。炼油催化主风机、乙烯三机、长输管道压缩机都是这类压缩机的典型应用。泵按结构可分为回转动力式、容积式和其他特殊结构等3类。离心泵是回转动力式泵的1种，是行业用量最大的泵型。管道输油泵多为离心泵，1个千万吨的炼油厂需要各类泵约200台，其中离心泵占比达83%【2】。

不同标准制造的机械设备在质量和价格上差别较大，通常1台按API 610标准制造的离心泵比1台按ISO 5199标准制造的离心泵在价格上要高出1倍以上。我国标准从级别上分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准4级，按对象可分为管理标准和技术标准2大类，技术标准又可分为基础标准、产品标准等多个门类。本文主要对油气行业中的透平压缩机和离心泵(不含无密封离心泵)这类透平机械设备适用的产品标准及检验、试验标准进行比较，总结出这些标准的结构化特征，并给出选用标准的建议，以期实现设备采购性价比最优的目标。

1 透平压缩机和离心泵技术标准比较

1.1 透平压缩机技术标准比较

油气行业透平压缩机主要适用的技术标准见表1。

从表1可以看出，透平压缩机现行的产品标准都是行业标准。从采标情况看， SY/T 6651和JB/T 6443都是等同采用(IDT)美国石油协会标准API 617—2002的。SH/T 3144是在API 617—2002的基础上补充了一些技术规定，适用范围仅限于离心/轴流式压缩机一类机型。API 617—2002这版标准和之前版本最显著的不同是增加了适用物资范围(扩大至轴流/离心式压缩机、整体式齿轮增速离心压缩机和膨胀机-压缩机等3类机型)，标准整体结构分为4个部分(第一部分是通用要求，其他3个部分针对3类机型提出具体要求)。另外API 617—2002在设备设计、制造、动力学等方面的技术要求也有所提高，比如设备不间断连续运转时间由3年提高至5年、转子动力学部分的规定也增加了大量篇幅。JB/T 4359最早是等同采标ISO 8011—1988的，仅适用于介质为空气的轴流式压缩机，它在特殊工况下的材料选择、转子带阻尼不平衡响应分析及稳定性分析、性能试验执行标准等方面的规定，与API 617标准相比要简单一些。

表1 透平压缩机适用技术标准

透平压缩机输送各种工艺气体时，为了防止或限制这些气体沿压缩机旋转轴泄漏到大气中，就必须采用轴端密封，保证运行安全。透平压缩机一般选用迷宫密封、浮环密封、机械密封、干气密封等类型的密封。干气密封这类非接触式密封，由于具有可靠性高、无油污染、功率消耗低、寿命长等优点，已成为危险性气体轴端密封的主要选择。SY/T 6651标准中对各类轴端密封都做了详细规定，并附了典型的结构剖面图。而JB/T 11289仅适用于干气密封一种类型，但对应压缩机和泵两类应用，在密封设计、制造、检验、泄漏标准等方面的规定还比较详细。

国家标准GB/T 25630—2010是等同采用国际标准ISO 5389—2005的，是透平压缩机性能试验的准备、过程以及评定所应遵循的标准规程。API 617—2002在压缩机性能试验标准规定中也认可ISO 5389标准规定，但首选的性能试验标准还是美国标准ASME PTC-10—1997。实际上，ISO 5389是结合了美国标准ASME PTC-10和德国工程师协会标准VDI 2045的相关规定而形成的国际标准，它更注重于通过相似理论将试验结果中的测量值换算成保证条件，以验证结果的保证程度。行业标准JB/T 3165与ASME PTC-10是非采标关系，虽然这两个标准都将试验类别划分为合同指定气体和代用气体2类，但ASME PTC-10在气体计算公式、换算模型推荐、压缩机段间冷却模型处理等相关规定上更加详实。

1.2 离心泵技术标准比较

油气行业离心泵主要适用的技术标准见表2。

表2 离心泵适用技术标准

从表2可以看出，GB/T 16907、GB/T 5656和GB/T 5657这3个标准分别等同采用国际标准ISO 9905、ISO 5199和ISO 9908，实际上就是国际标准化组织依据可靠性、操作条件等因素划分出的3类离心泵。这3类泵在设计、制造和验收规定上都是不一样的，其中Ⅰ类最严格，Ⅲ类最宽松。我国油气行业常用的是ISO标准的第Ⅱ类泵，也就是国家标准GB/T 5656—2008(ISO 5199)规定的这类离心泵。这个标准引用了GB/T 5662—2013(ISO 2858)、GB/T 5660—2013 (ISO 3661)和GB/T 3216—2016 (ISO 9906)，囊括了这类泵完整的结构与水力性能试验规定。GB/T 3215—2007等同采用美国石油协会标准API 610—2004，按该标准制造的泵就是常说的API离心泵。下面通过表3简单对比一下GB/T 3215和GB/T 5656这2个离心泵标准。

表3 GB/T 3215—2007和GB/T 5656—2008比较

从表3看， GB/T 3215适用的离心泵类型更多，各项技术指标更严格，提出的要求和验证程序更具体； GB/T 5656所适用的泵最高工作压力相对低，且选材、轴封没有给出具体指南，而诸如“满足工况要求，满足订单要求”这样原则性要求多，给出的技术指标也相对低一些。

在表3中出现的轴封标准ISO 21049， 实际上与API 682是等同的， 而GB/T 34875—2017又是等同采用ISO 21049—2004的， 所以这3个标准是一致的。ISO 21049(API 682)适用的密封腔工作范围为： 温度—40～400 ℃、 压力4.2 MPa(绝)以下， 轴径范围为20～110 mm。密封按尺寸和工作范围分为3种类别， 按密封件构成分为A、 B和C型3种型式， 按布置方式分为单端面、 无压双重和有压双重密封3种结构。这个标准对3种类别的密封在选型、 选材、 认定试验等方面作出了详细规定， 保证所选密封能够达到连续运行3年的可靠性要求， 泄漏量指标为： 每对密封面允许逸出气体体积浓度1 000 mL/m3(采用EPA方法21测定)，液体平均泄漏量为5.6 g/h(2滴/min)。我国泵用机械密封标准JB/T 1472适用的密封腔工作范围为：温度0～80 ℃、压力3 MPa 以下，轴径范围为16～120 mm。该标准规定了7种单端面密封型式，适用转速不大于3 000 r/min，泄漏量指标为：轴外径50 mm以内，泄漏量不大于3 mL/h；轴外径大于50 mm，泄漏量不大于5 mL/h。由此可以看出：JB/T 1472规定的密封的最高工作温度比ISO 21049(API 682)规定的第一类密封低不少，而工作压力是相当的。如果按1 mL水等于25滴考虑，则这2个标准规定的液体允许泄漏量指标是相当的。需要指出的是：ISO 21049(API 682)规定要用水，丙烷，20%浓度氢氧化钠，冷、热矿物油等5种试验液体进行一系列的静、动态试验来认定密封性能是否达标；而JB/T 1472仅规定用常温清水完成密封泄漏试验。有研究显示，密封泄漏量随着介质粘度的增加而增加【19】。从这个角度看，ISO 21049(API 682)的认定试验更严谨、更贴近实际应用。

SH/T 3139在开篇针对于石油化工用重载荷离心泵作出了定义， 即“泵送介质为易燃或危险的； 或泵操作条件超出任一限制的： 额定排出压力大于1.9 MPa(表)、 操作温度大于等于225 ℃、额定转速大于3 000 r/min、 额定扬程大于120 m、最高吸入压力大于0.5 MPa(表)、 悬臂泵最大叶轮直径大于330 mm； 或用作液力回收透平的泵”， 并规定重载荷离心泵遵循产品标准ISO 13709(API 610)以及SH/T 3139的补充技术规定。这些补充技术规定大多是对ISO 13709(API 610)标准选项条款的确定[如泵出、 入口法兰力与力矩是ISO 13709标准的2倍， 轴封选用ISO 21409(API 682)的二类密封等]。SH/T 3140在开篇对石油化工用中、轻载荷离心泵作出了定义， 定义条件基本与SH/T 3139规定的重载荷条件相反， 并规定中、 轻载荷离心泵遵循产品标准ISO 5199以及SH/T 3140的补充技术规定[比如泵出、 入口法兰力与力矩等同ISO 13709， 轴封选用ISO 21409(API 682)的一类密封等]。

2 技术标准选用建议

对于标准的不同之处，上文已进行了比较，那么，在项目设计、采购中如何选用相应的技术标准呢？这个问题要从2个方面来回答：一个是不同标准间的取舍，另一个是单个标准内选项条款的确定。

炼油催化装置主风机选用产品标准JB/T 4359是合适的， 国内主要轴流式空气压缩机供货商也是这个标准的主起草单位。而其他透平压缩机遵循的产品标准以SY/T 6651、 JB/T 6443为主， 这些行业标准又都是等同采标API 617标准的， 所以这类设备标准选用重点就在于对API标准选项条款的确定上。主要选项条款包括选择机型， 确认气动模型和性能曲线； 选择材料， 转子动力学达标； 选择密封，确定试验方法与程序等。压缩机采购时要重点评价供货商对买方提出标准的偏离， 尤其是对新机型压缩机， 确认偏离时更应从严。多年来正是依靠对标国际先进技术、 严格落实制造标准这条经验， 我国实现了百万吨乙烯三机、 20 MW级管道压缩机等重大装备国产化的卓越成果。对于气动模型已建立且经过运行检验的压缩机， 在确认技术偏离时， 可由买卖双方根据设备应用情况并结合经济性因素自行协定。

离心泵标准选用要遵循以下3个原则：

1) 判定是不是重载荷工位泵，从而科学选用相应产品标准。重载荷意味着泵运行可靠且性能稳定，泵送介质安全性要求高，参数和操作条件达到SH/T 3139标准规定。重载荷工位泵要遵循产品标准API 610(GB/T 3215)、ISO 21409(API 682)。典型重载荷工位泵有油田管道项目用的给油泵、输油泵、各类轻烃泵，炼油乙烯装置用的塔底泵、油浆泵、进料泵、高压锅炉给水泵、低温筒袋泵、立式高速泵等，这里不能一一列举，可根据对重载荷的定义自行判定。非重载荷工位泵应遵循的产品标准是ISO 5199(GB/T 5656)，典型用泵有环保或给排水专业的水泵、非腐蚀液体泵、排污泵等。

2) 做到适度选用标准。为了增加质量裕度，提出过于苛刻的NPSHR要求、能用单端面密封的改用双端面密封或者提出泵法兰受力载荷倍数过大等标准选项条款是没有必要的。标准选用应满足生产和环保需要，做到适用、适度。

3) 结合供货商承诺的出厂标准，做到选用结果符合市场实际。原油或成品油管道长距离输送多采用密闭、泵串联方式。管道输油泵操作条件的特点是输送流量范围大、压力高、工况多变，泵密封承压也很高。国产大功率管道输油泵密封多按照API 682标准设计，多选用单端面机械密封配PLAN31+PLAN65冲洗方案【20】。在实际应用中，受工况多变和现场条件影响，国产输油泵密封承诺的寿命和泄漏标准能达到JB/T 1472标准的规定，但在可靠性和稳定性指标上和API标准相比还有一定差距。

3 结语

选用什么技术标准是买方需求的体现，反映的是买方为保证所购物资满足质量要求而提出的技术要约。选定后的标准也成为供货商组织产品生产和交付验收的依据。选标准意味着选质量，同时也意味着选采购成本。透平压缩机和离心泵这类透平机械多为企业生产经营中的关键设备，在项目建设中应追求采购性价比最优的目标。能够科学、适度且符合实际地选用技术标准是实现这一目标的根本保障。