原油輸送離心泵的選用

張國釗

（上海寰球石油化學工程有限公司，上海 200032）

原油輸送離心泵的選用

張國釗

（上海寰球石油化學工程有限公司，上海 200032）

原油輸送離心泵是原油庫區設計的重要組成部分，為了其選用的合理性，從離心泵整套機組的各個組成部分——密封、聯軸器、電動機的配置方面進行了分析，給出了選擇依據和電動機功率的選用方法，為原油輸送離心泵的選用提供了良好的理論指導。

離心泵;原油;機械密封;電動機;聯軸器

原油輸送離心泵是原油庫區中進行原油儲運的大型關鍵設備，它主要用于原油的輸送，油罐的倒罐，原油的裝卸等。由于原油輸送離心泵具有初次投資大，運行周期長，功率消耗大等特點，因此該設備的合理選用對整個原油庫區起著至關重要的作用。

1 原油輸送離心泵的工藝參數及主要結構

原油輸送離心泵的主要工藝參數如表1所示。

表1 泵的主要工藝參數

該泵采用API610標準中的BB1型泵[1]，主要由泵體、葉輪、泵軸、軸承、密封、聯軸器和電動機等幾部分組成。此離心泵的殼體是水平軸向剖分的雙蝸殼，水平軸向剖分可增加輸油泵使用維護的方便性，雙蝸殼可有效地平衡徑向力。泵殼支承方式為兩端接近中心線的支承，可確保輸油泵運行平穩并減小泵的振動和噪音，使泵能夠長時間連續運行，并能保證泵軸和電動機軸的同心度。葉輪為雙吸式單級葉輪，雙吸式葉輪可有效地平衡泵的軸向力。材料選擇了API610標準附錄H的S-6等級。泵的軸承采用了稀油自潤滑的滑動軸承，在非驅動端還設有兩個背對背安裝的推力球軸承，以承受轉子的剩余軸向力。輸油泵還設有電伴熱，以保證介質溫度能在一定的溫度范圍內，否則原油由于溫度降低而使粘度升高，不利于輸送。

2 密封的選用

軸封是防止泵軸與殼體處泄漏而設置的密封裝置。常用的軸封種類有填料密封、動力密封和機械密封等形式。填料密封結構簡單、價格便宜、維修方便，但泄漏量大、功耗損失大。因此填料密封用于輸送一般介質，如水;一般不適用于石油及化工介質。動力密封性能可靠，價格便宜，維修方便，適用于輸送含有固體顆粒較多的介質。缺點是功率損失較機械密封大，且其停車密封裝置的壽命較短。機械密封具有性能可靠、泄漏量小、使用壽命長、功耗低、維修率低、對軸（軸套）磨損小，適用溫度、壓力、泵速的范圍寬，滿足各種腐蝕性介質及含固體顆粒介質等苛刻工況的密封要求，且隨著國內機械密封業的發展，不管是國產泵還是進口泵，機械密封已能實現國產化，具有明顯的性價比優勢，因此機械密封成為最通用的密封形式。

機械密封是由兩塊密封元件 （靜環和動環）垂直于軸的光滑而平直的表面相互貼合，并做相對轉動而構成的密封裝置，如圖1所示。它是靠壓緊元件（彈簧）和密封介質的壓力在旋轉的動環和靜環的接觸面上產生適當的壓緊力，使這兩個端面緊密貼合，端面間維持一層極薄的液體膜而達到密封的目的。這層液體膜具有流體動壓力與靜壓力，起著潤滑和密封的作用。

圖1 單端面機械密封示意圖

機械密封按照液體壓力平衡情況可分為平衡型和非平衡型機械密封。平衡型機械密封端面所受作用力隨介質壓力的升高而升高的斜率小于1，而非平衡型機械密封的升高斜率大于1，見圖2。平衡型密封能部分平衡介質液體對機封端面的壓力，端面比壓隨液體壓力的上升而緩慢上升，它能夠降低端面上的磨損，承載能力相對較大，可用于高壓場合。對非平衡型機械密封，在介質壓力較高的情況下，因其端面作用力較大，密封面磨損較快，故不建議用于高壓工況，只能用于低壓場合，一般最高壓力為 0．5～0．7MPa[2]。 但對那些潤滑性較差、沸點低、易氣化的介質，即使壓力較低，也應選用平衡型機械密封，其主要原因是由于非平衡型機械密封在密封腔壓力上升時，會將兩摩擦副端面密封面上的液膜擠出，使其密封面很快出現磨損。

圖2 平衡型和非平衡型機械密封結構

機械密封也可按照密封腔中摩擦副的對數及型式可分為單端面機械密封（如圖1）、雙端面機械密封及串聯式機械密封（如圖3）。單端面機械密封只有一對摩擦副，結構簡單，裝拆容易，一般只需設置內沖洗系統，不需要外沖洗液系統。雙端面機械密封有兩對摩擦副，結構較復雜，需要外沖洗液系統，需在密封腔內通入隔離液（對雙端面機械密封）或緩沖液（對串聯式機械密封），起潤滑密封面的作用。

圖3 雙端面和串聯式機械密封

由于原油罐區工程中沒有任何外沖洗液，且原油的介質粘度較大，因此原油輸送離心泵選用了無需外沖洗系統的平衡型單端面機械密封。

由于介質的密度、粘度以及腐蝕性等特點，使密封端面材料受到了限制，表2中給出了常溫下不同介質動、靜環材料組合[3]。

表2 常溫下不同介質可選用的材料組合

由于原油介質的粘度大，依據表2選用機械密封的摩擦副為碳化鎢對碳化硅，此摩擦副耐磨性較好，可以最大限度地延長密封使用壽命。根據表3中列出的靜密封用O形圈常用材質的應用情況[4]，O形圈采用了氟橡膠材料。

機械密封的動環和靜環端面互相摩擦，不斷產生摩擦熱，使密封面溫度升高，對密封造成不良影響。為了消除摩擦熱影響，降低密封腔溫度，防止液膜氣化，改善潤滑條件，防止雜質集積和氣囊形成，保證密封正常工作，延長使用壽命，還必須對密封進行沖洗。

表3 O形密封圈常用材質及其適用范圍

沖洗有內沖洗和外沖洗。內沖洗是利用泵內部壓力較高處（通常是泵出口）的液體作為沖洗液來沖洗密封腔，這是最常用的沖洗方法。外沖洗是利用外來沖洗液注入密封腔進行沖洗，這種方法可用于高溫、腐蝕性強和含固體顆粒的液體。由于此原油庫區中沒有合適的外沖洗液，所以采用了API682標準中Plan11和Plan65[5]的綜合方案。因為該原油輸送離心泵已設計了伴熱系統，油品的溫度和粘度都可以得到保證，另外，泄漏管路也采用了保溫措施，泄漏油品也不會在常溫下凝固而影響密封的壽命。Plan11沖洗管路中，采用了雙道節流孔板，以加大節流孔的直徑，減少節流孔板堵塞的可能。為防堵塞，還可在節流孔板兩邊加裝差壓變送器實現檢測。Plan65設置了密封泄漏報警裝置，一旦密封泄漏，控制室內就可以得到報警，從而可采取相應措施來解決密封泄漏問題。此方式已經應用于很多設計，效果較好。

3 聯軸器的選用

聯軸器是泵機組中使泵軸與原動機軸互相聯接并傳遞功率的部件。聯軸器選擇是否恰當，關系到泵組的效率和安全、穩定運行。聯軸器的種類眾多[6~7]，泵用聯軸器一般選用撓性聯軸器，目的是傳遞功率，補償泵軸與電機軸的相對位移，降低對聯軸器安裝的精確對中要求，緩和沖擊，改變軸系的自振頻率和避免發生危害性振動等。泵常用的撓性聯軸器型式有爪型彈性聯軸器、彈性柱銷聯軸器和膜片聯軸器等。

爪型彈性聯軸器的特點是體積小，重量輕，結構簡單，安裝方便，價格低廉。常用于小功率及不太重要的場合。彈性柱銷聯軸器是利用若干非金屬彈性材料制成的柱銷，置于兩半聯軸器凸緣孔中，通過柱銷實現兩半聯軸器聯接，該聯軸器結構簡單，安裝方便，更換容易，尺寸小，重量輕，適用于中速傳動軸系，不適用于工作可靠性較高的工況。膜片聯軸器如圖4所示，它采用幾組厚度很薄的金屬膜片制成各種形狀，用螺栓分別與主從動軸上的兩半聯軸器聯接。膜片聯軸器靠膜片的彈性變形來補償所聯兩軸的相對位移，是一種高性能的金屬彈性元件撓性聯軸器，不用潤滑和維護，結構緊湊，強度高，抗高溫，抗不對中性能好，可靠性高，傳動扭矩大，適用于高溫、高速、有腐蝕介質工況環境的軸系傳動。

圖4 膜片聯軸器結構

由于原油輸送離心泵功率較大，以及使用時的工作條件和泵的結構要求和安裝、維修的方便性，采用帶加長段的膜片聯軸器，加長段可確保拆卸聯軸器、軸承部件、機械密封等零件時不用拆卸電動機。聯軸器的防護罩用無火花的不銹鋼制成，確保使用安全可靠。

4 電動機的選用

驅動機的種類很多，如電機、汽輪機、柴油機等。化工行業中使用最多的是電動機。除了機械的負載性質和生產工藝對電機的啟動、制動、運轉、調速等要求以及溫度、濕度、海拔、防爆、防護等使用場所的環境條件外，電動機功率的選擇至關重要。電機功率選得過小，會引起離心泵過載而燒壞電機;而電機功率選得過大，會造成電能的浪費。

泵的功率是指輸入功率，即電機傳遞到泵軸上的功率，也稱為軸功率。對于離心泵的軸功率計算公式為:

式中:H——泵的額定揚程，m;

Q——泵的額定流量，m3·s－1;

ρ——介質密度，kg·m－3;

η——泵額定工況下的效率;

Pa——泵額定工況下的軸功率，kW。

根據泵的性能曲線查出泵額定工況下的效率為83%，把表1的相關參數帶入公式（1）中得軸功率為:

在確定電動機的功率時，電動機的功率須留有一定的安全裕量，電動機的配用功率一般按下式計算:

式中:ηt——泵傳動裝置效率，見表4[8];

K——原動機功率裕量系數。功率裕量系數不小于表5中的值。

表4 泵傳動裝置效率ηt

表5 離心泵功率裕量系數K

原油輸送離心泵采用直聯，由表4和表5可求出電動機的配用功率為:

根據配用功率，向上靠電動機的標準功率，即得電動機的功率為450kW。由于泵與電動機直聯傳動，因此所需電動機轉速由泵轉速來確定。

5 結語

軸承、密封及其沖洗、聯軸器和電機是原油輸送離心泵的重要組成部分，只有對其選用合理，才能保證原油輸送離心泵的穩定運行，從而保證原油罐區的正常運行。

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

[2] 張巍，潘立斌，張旭東．離心泵機械密封的選用[J]．石油化工設備，2007，36（3）:75-78．

[3] 郭臣，沈梅．礦用泵軸機械密封的選用[J]．煤礦機械，2002，（12）:74-75．

[4] 田志偉，李海權．化工泵的軸封腔設計及軸封選型[J]．通用機械，2004，（6）:62-64．

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

[6] 文斌．聯軸器設計選用手冊[M]．北京:機械工業出版社，2009:2-9．

[7] 陳松，徐文峰．淺談泵用聯軸器的選型[J]．水泵技術，2003，（5）:27-31．

[8] 全國化工設備設計技術中心站機泵技術委員會．工業泵選用手冊[M]．北京:化學工業出版社，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

張國釗（1979-），男，漢族，山東人，碩士，工程師，主要從事石油化工行業轉動設備的工程設計和研究工作

2011-04-13