長輸管道2 100 kW單級輸油主泵研制及應用

史興治，邱姝娟，龐貴良，杜華東，劉俊濤.中國石油西部管道公司蘭州輸氣分公司，甘肅蘭州 730070.中國石油西部管道公司生產運行處，新疆烏魯木齊 8300

長輸管道2 100 kW單級輸油主泵研制及應用

史興治1，邱姝娟2，龐貴良1，杜華東2，劉俊濤1
1.中國石油西部管道公司蘭州輸氣分公司，甘肅蘭州 730070
2.中國石油西部管道公司生產運行處，新疆烏魯木齊 830011

在原油、成品油管道輸送過程中，輸油泵是提供動力的核心設備。目前輸油主泵完全被國外產品壟斷。以國內某長輸原油管道輸油首站5#輸油泵的數據單為主，研制了電機功率為2 100 kW的單級臥式水平中開雙蝸殼輸油泵。介紹了該泵的各部件的設計方案，利用三維建模軟件UG、有限元分析軟件ANSYS和流場分析軟件CFX進行了水力性能的設計、臨界轉速計算、中分面的密封設計，另外對軸承、機械密封、沖洗組件設計和集成化設計進行了說明，同時進行了大小葉輪的清水試驗。目前該輸油泵已在現場成功應用，與同類型的國外知名輸油泵進行了性能測試和振動測試比較，該泵運行平穩、振動小于報警設定值，使用效果良好。最后對該輸油泵的進一步優化提出了建議。

管道輸油泵；結構；工業運行考核

在原油、成品油管道輸送過程中，輸油泵是提供動力的核心設備。輸油泵的特點是功率大、揚程高、連續運轉，目前輸油主泵完全被國外產品壟斷。隨著輸油管道的快速發展，降低輸油泵運行維護費用、縮短維檢修時間、提高泵的自動控制水平，變得越來越迫切［1-2］。

基于此，以某原油輸油管道輸油首站5#輸油主泵設計參數為主研制了電機功率為2 100 kW、型號為ASY500-240的單級臥式水平中開雙蝸殼輸油泵，該泵具有輸送流量大、揚程高、自動化程度高等特點，能夠滿足不同工況的需要，可以實現大小葉輪互換，極大地方便了維修維護，對保障國家能源安全輸送具有重要作用。

1　輸油主泵的主要性能參數

輸油主泵樣機主要以某原油輸送管道二期工程的《電動機驅動離心泵機組技術規格書》（1版）、《電動機驅動離心泵機組數據單》（0版）中的技術參數為依據，以該輸油管道原油首站5#機組接口尺寸為基準進行研制開發工作。

根據《離心泵數據單》，設計泵型號為ASY500 -240型；主要性能設計參數大葉輪設計參數：流量為2 871 m3/h，揚程為240 m，轉速為2 980 r/min，效率≥88%；小葉輪設計參數：流量為1 435 m3/h，揚程為225 m，轉速2 980 r/min，效率≥85%；設計壓力為8.5 MPa，設計溫度為50℃；電機功率為2 100 kW。噪音≤85 db，振動≤4.2 mm/s，溫度為常溫，允許工作區流量為1 150～3 445 m3/h，最佳效率區流量為2 010～3 160 m3/h。

2　輸油主泵的結構設計方案

輸油主泵是為大口徑、大流量、高揚程的長距離管道輸送油品提供動力的核心設備，不僅要求能夠連續運轉，大/小葉輪可互換以滿足兩種工況下不同輸量要求；同時要求安裝、拆卸、維護方便，具有完善的自我檢測和保護系統。如圖1所示，該輸油泵主要由泵體、轉子部件、出口導葉（擴流器）、軸承部件甲、軸承部件乙、集裝式機械密封部件、電伴熱系統及儀控元件組成。

圖1　　輸油主泵總裝圖

2.1泵體

如圖2所示，泵體由下泵體和泵蓋組成，二者內部形成流道，流道外部左右兩側各形成一個機械密封腔；下泵體和泵蓋的結合面（即密封面）位于軸線所在的水平面內；下泵體上整體鑄造進出口法蘭、軸承體支撐臂、支撐底腳。泵體材料采用ZG20CrNi，該材料力學性能和耐腐蝕性能比碳鋼高，泵體尺寸通過有限元計算設計，可以保證泵在任何環境下結構的完整性。泵蓋設有溫度變送器檢測孔，用于泵殼溫度的檢測。泵蓋最頂端設有排氣孔。下泵體上設有泵的進出口，進出口軸心線與泵軸線垂直，配帶加長節的撓性聯軸器，檢修時無需拆卸進出口管道和電機。

圖2　泵體

2.2轉子部件

轉子部件由軸、軸套、軸套螺母、葉輪、鍵、葉輪密封環、防塵盤、軸承、軸承套、軸承擋套、軸頭螺母等零件組成（見圖3）。轉子部件動平衡測試執行GB/T9239.1-2006《機械振動恒態（剛性）轉子平衡品質要求》。

2.3擴流器

為優化流場分布和消除水力產生的徑向力，在葉輪與蝸室之間設置擴流器。同時，當流量改變時，可不更換泵蓋、泵體，只需更換葉輪和擴流器就可滿足工程輸量的要求。

2.4軸承部件

圖3　轉子部件

軸承部件甲由軸承體甲、軸承盒部件、軸承、擋套、軸頭螺母等零件組成（如圖4（a）所示）。軸承部件乙由軸承體乙、軸承壓蓋、軸承擋套、擋套、甩油環、圓柱滾子軸承、防塵盤等零件組成（如圖4（b）所示）。軸承體外部均鑄有自然風冷散熱肋片，散熱面積大，散熱效果好。軸承體兩側分別裝有雙金屬溫度計和Pt 100鉑熱電阻，頂部安裝振動傳感器。

軸承部件甲潤滑油室滿裝油為12.4 L、軸承部件乙潤滑油室滿裝油為5.7 L。潤滑油選用美孚DTE中級潤滑油（等同于ISO VG46）。如圖4（c）所示，徑向力由設置在軸承部件甲與軸承部件乙上的圓柱滾子軸承承受；殘余軸向力由集裝式設計的軸承盒部件承受；這種徑向力和軸向力由不同的軸承承受，可以大大延長軸承的使用壽命。

圖4　軸承部件

2.5軸封

軸封采用高壓集裝式平衡型單端面機械密封，如圖5所示。

圖5　軸封

設計密封壓力8.0 MPa，密封沖洗執行API610 PLAN11標準，密封沖洗液由泵出口引出，經節流孔板，進入鄰近機械密封端面的密封腔沖洗端面，液體經卸壓套與軸套間節流孔環返回葉輪吸入口。密封壓蓋上設置節流襯套，防止在密封失效的情況下，介質沿軸大量泄出。動靜環采用碳化硅對碳化硅，可以達到很長的運行壽命。

如圖6所示，在機械密封沖洗管路的節流孔板處安裝流量計，當孔板堵塞時流量計可以給出報警和關機信號來避免機械密封損壞。在沖洗管路上配置了浮子流量變送器，同時還設有密封泄漏檢測裝置和機械密封測溫元件，以實現機械密封泄漏的自動報警。

圖6　　機械密封沖洗管路

2.6聯軸器

聯軸器選用帶中間節的膜片聯軸器（見圖7）。有足夠長的中間節，可實現在不拆卸電機的情況下更換軸承或機械密封。泵端聯軸器采用液壓拆裝，避免了加熱拆裝給現場環境帶來危害。

圖7　聯軸器

2.7電伴熱

泵體的保溫伴熱裝置呈上下泵體分別設置，用插接接頭連接。打開泵蓋時不需解開電熱帶。溫控箱裝備了主開關、保險器、自動保險器、接地短路繼電器，有溫度控制的空間加熱器和電力及控制回路接觸器。泵體伴熱回路由相應可調的溫度控制器和溫度限制器控制，設定溫度為5～45℃可調。

3　輸油主泵的設計計算

3.1水力性能的設計

利用三維建模軟件UG、有限元分析軟件ANSYS和流場分析軟件CFX進行了優化設計；通過多次修改葉輪和殼體水力性能數據，對流道進行優化設計，獲得了理想的水力模型，并解決了軸向力和徑向力平衡的難題，有效地提高了機組運行的可靠性，降低了研發和制造成本。

3.1.1葉輪的水力性能設計計算

如圖8所示，葉輪采用單級雙吸封閉式結構，經激光成型技術制造、數控機床精加工而成，流道表面粗糙度小于6.3。通過采用三維建模軟件UG對葉輪流道內流體繪制三維模型，利用有限元分析軟件ANSYS對模型劃分網格，導入流場分析軟件CFX，并進行多次優化分析設計，葉輪內介質速度矢量圖見圖9，葉輪內介質速度流線圖見圖10，計算結果顯示：葉輪在流量為2 871 m3/h、揚程為248 m的工況時，效率為88.46%。

3.1.2擴流器的水力性能設計計算

圖8　　葉片加工三維圖

圖9　　葉輪內介質速度矢量圖

圖10　　葉輪內介質速度流線圖

利用三維建模軟件UG、有限元分析軟件ANSYS及流場分析軟件CFX，模擬擴流器內流場流態。擴流器內介質網格見圖11，擴流器內速度矢量圖見圖12，擴流器內速度流線圖見圖13。通過對流場內流線和壓力分布觀察分析，流場內流線光順，漩渦少，壓力分布均勻，水力效果理想。

圖11　擴流器內介質網格

圖12　擴流器內速度矢量圖

圖13　擴流器內速度流線圖

3.1.3殼體的水力性能設計計算

將吸入室、葉輪、導葉、吐出室組裝在一起，形成泵內介質流場。殼體內流場流線圖見圖14，殼體內流場速度矢量圖見圖15，殼體內流場壓力分布圖見圖16，從流場分析軟件看出，流場內流線光順，漩渦少，壓力分布均勻。

圖14　　殼體內流場流線圖

圖15　　殼體內流場速度矢量圖

圖16　　殼體內流場壓力分布圖

3.2臨界轉速計算

轉子的臨界轉速和自振頻率在數值上近似相等，因此先計算自振頻率。采用3D實體單元對輸油主泵轉子模型進行網格劃分。單元總數33萬，結點總數52萬，此時計算結果隨網格數的增加變化很小，網格數量滿足計算精度要求。經計算，輸油主泵轉子前六階自振頻率結果見表1，轉子第一階振型如圖17所示。

根據輸油主泵轉子模態計算結果可得：

表1　轉子前六階自振頻率

圖17　轉子第一階振型

（1）輸油主泵轉子第一階橫向臨界轉速nhcr1=60.692×60=3 641.52（r/min）＞1.2 n額（n額= 2 980 r/min），滿足API610中5.6.15規定。

（2）輸油主泵轉子第一階扭轉（對應于表1中第三階）臨界轉速，nncr1=85.154×60=5 109.24 （r/min）＞1.1n額，滿足行業普遍認可的扭轉臨界轉速校核關系式。

因此輸油主泵在正常運行過程中轉子遠離共振區，不會發生共振，軸系安全可靠。

3.3中分面的密封設計

利用三維建模軟件UG對泵體、泵蓋、主螺栓、螺母、密封墊建立三維模型，再利用有限元分析軟件ANSYS對泵體、泵蓋、主螺栓、螺母、密封墊在內壓為8.5 MPa的工況下進行分析計算，得出螺栓擰緊力矩，確保達到中分面密封墊最小預緊比壓。密封墊采用耐高壓復合材料（碳素纖維/304不銹鋼），中分面壓力分布見圖18。

中分面經修正的螺栓布置及應力分布見圖19。

圖18　　中分面壓力分布

圖19　　經修正的螺栓布置及應力分布

3.4軸承的可靠性設計

泵的徑向軸承和推力軸承均采用滾動軸承結構，徑向力由圓柱滾子軸承承受，殘余軸向力由一對預緊的面對面布置的角接觸球軸承來承受，面對面布置的角接觸球軸承集裝在設計的軸承盒內，組成集裝式的軸承盒部件。

3.5機械密封及沖洗組件設計

針對輸油泵特點，開發出適用于該泵的機械密封。該密封為高壓集裝式平衡型單端面結構，密封壓蓋帶有狹窄間隙襯套，動靜環端面采用碳化硅－碳化硅，保證使用壽命不低于25 000 h。并將機械密封沖洗液的取口設置在泵體兩側，可獲得較清潔的機封沖洗液。在機械密封沖洗管路設計有流量變送器，實時監控機械密封的沖洗液的沖洗狀態。

3.6集成化成套設計

輸油泵是集機、電、儀控系統于一體的集成化輸油設備，可實現無人值守、遠程控制。溫度變送器和振動變送器的輸出為4～20 mA電流信號，并配有防雷模塊，提高了一次檢測儀表在野外使用的安全性。

4　實際應用

4.1清水試驗

4.1.1大葉輪試驗

2012年初，首臺輸油主泵組裝完成，并在廠內試驗臺架完成清水試驗，試驗結果見表2。

從表2可以看出，該泵的高效區較寬廣，流量在2 408～3 030.7 m3/h范圍內的效率均達到了設計要求，在設計點（額定流量2 871 m3/h）附近泵效率達到設計值。

表2　試驗結果

4.1.2小葉輪試驗

試驗在開式試驗臺上進行，試驗介質為常溫清水，試驗轉速2 980 r/min，額定工況流量1 435 m2/h，揚程226 m，泵的軸功率為1 038 kW，效率84.77%。

輸油主泵運行2 h后（環境溫度18℃），驅動端油池溫度穩定在46.5℃，非驅動端油池溫度穩定在48℃。試驗結果滿足技術規格書的要求。

4.2現場應用

2012年9月，該泵被安裝到某原油管道輸油首站5#臺位進行工業運行考核試驗，2013年3月份進行了輸油泵性能和振動現場驗收測試，同時與相同額定流量和揚程的6#臺位的國外輸油泵進行對比測試。

（1）性能測試。測試結果表明，受到現場實際運行情況所限，應用測試未測試出5#國產泵完整的性能曲線，但是在兩種測試流量下，5#國產泵主要性能接近6#國外泵，達到了設計性能要求［3］。

（2）振動測試。為了考察輸油泵機組在各個輸量下的可靠性，共選取了不同輸量下的5個測試點，在2 606.3 m3/h流量下測得的水平振動數據見表3。

表3　　水平振動數據/（mm·s-1）

從表3可以看出5#泵振動值小于6#泵振動值，振動烈度處于A級（＜1.8 mm/s）。但5#國產輸油泵在運行期間也存在高頻振動（特別是743 Hz、3 500 Hz、7 000 Hz），該噪音可能由原油流體高速通過沖洗管道上的節流孔板產生高頻振動引起，但未發生報警。

因而該泵的振動在良好限值和報警值之間，機組振動狀態可接受（合格），可長期運行。

圖片報道：2 100 kW國產輸油主泵模擬三維圖

5　結束語

經現場試驗和實際運行表明：該國產輸油主泵技術先進、結構合理、效率高、環境適應性強、遠程/現場操作方便、運行平穩、振動、溫度參數值遠小于報警設定值，使用效果良好。由于生產運行條件限制，本次考核期間沒有對該泵的小葉輪進行工業考核，有待選取適當時機完成。此外，需進一步優化設計從而降低機械密封沖洗管道上節流孔板造成的噪音，擇優選取機械密封材料，保證長周期運行過程中密封可靠，不發生泄漏，提高輸油運行安全及經濟性。

［1］趙曉剛，李勝強，戴琳，等.石油庫輸油泵變頻調速節能技術應用研究［J］.石油工程建設,2000，26（4）：4-6.

［2］邢世平，陳彬，喻志芳.儀征-長嶺原油管道輸油泵機械密封的匹配性研究［J］.石油工程建設,2011，37（4）：98-100.

［3］劉國豪，姜勇，劉雪峰，等.國產輸油泵現場試應用性能測試與分析［J］.油氣儲運，2014，33（7）：762-764.

Development and Industrial Application of 2 100 kWSingle-stage Main Oil Transfer Pump for L ong-distance Pipeline

SHIXingzhi1，QIU Shujuan2，PANG Guiliang1，DU Huadong2，LIU Juntao1
1.PetroChina Western Pipeline Lanzhou Branch，Lanzhou 730070，China
2.PetroChina Western Pipeline Company，Wulumuqi830011，China

During the pipeline transportation of crude oil and product oil，the oil transfer pump is the central equipment providing driving power.Currently，the oil transfer pumps have been monopolized by foreign industries.Therefore，a single-stage oiltransfer pump with the motor power of 2 100 kW and the horizontal twin-volute split centrifugal pump structure has been developed according to the data sheets of the 5#main pump in a certain oil transfer station.This paper introduces the design scheme of each component of the pump，carries out the hydraulic performance design，critical rotation speed calculation and split face seal design of the pump with 3D modeling software UG，FEA Software ANSYS and CFD software CFX，and also illustrates the bearing，the mechanical seal，the rinsing module design and the integrated design.Meanwhile，different sizes of impellers have been tested with fresh water.The oil transfer pump has been applied in field successfully.Compared to the same type of famous foreign oilpumps on performance，efficiency and reliability，this oil transfer pump operates steadily， and the vibration is less than the alarm setting value.It turns out that the pump operates well.In the end，some suggestions of further optimization of the pump are proposed.

oiltransfer pump for pipeline；structure；assessment of industrialoperation

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.021

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“油氣管道關鍵設備國產化”（2012E-2802）。

史興治（1974-），男，甘肅武威人，高級工程師，2013年畢業于蘭州大學管理專業，碩士，現從事輸氣生產工作。

Email：shixingzhi@petrochina.com.cn

2015-04-10；

2015-12-08