透平壓縮機和離心泵技術標準的比較與選用

楊 明

(中國石油物資有限公司，北京 100029)

我國油氣行業中用到的壓縮機和泵種類很多,涉及的標準面也很廣。這些流體機械設備多按照結構進行分類。壓縮機按結構可分為容積式和動力式2大類【1】。透平壓縮機屬于具有回轉葉片、輪盤或葉輪的動力式壓縮機，主要包括離心和軸流2種結構形式。煉油催化主風機、乙烯三機、長輸管道壓縮機都是這類壓縮機的典型應用。泵按結構可分為回轉動力式、容積式和其他特殊結構等3類。離心泵是回轉動力式泵的1種，是行業用量最大的泵型。管道輸油泵多為離心泵，1個千萬噸的煉油廠需要各類泵約200臺，其中離心泵占比達83%【2】。

不同標準制造的機械設備在質量和價格上差別較大，通常1臺按API 610標準制造的離心泵比1臺按ISO 5199標準制造的離心泵在價格上要高出1倍以上。我國標準從級別上分為國家標準、行業標準、地方標準和企業標準4級，按對象可分為管理標準和技術標準2大類，技術標準又可分為基礎標準、產品標準等多個門類。本文主要對油氣行業中的透平壓縮機和離心泵(不含無密封離心泵)這類透平機械設備適用的產品標準及檢驗、試驗標準進行比較，總結出這些標準的結構化特征，并給出選用標準的建議，以期實現設備采購性價比最優的目標。

1 透平壓縮機和離心泵技術標準比較

1.1 透平壓縮機技術標準比較

油氣行業透平壓縮機主要適用的技術標準見表1。

從表1可以看出，透平壓縮機現行的產品標準都是行業標準。從采標情況看， SY/T 6651和JB/T 6443都是等同采用(IDT)美國石油協會標準API 617—2002的。SH/T 3144是在API 617—2002的基礎上補充了一些技術規定，適用范圍僅限于離心/軸流式壓縮機一類機型。API 617—2002這版標準和之前版本最顯著的不同是增加了適用物資范圍(擴大至軸流/離心式壓縮機、整體式齒輪增速離心壓縮機和膨脹機-壓縮機等3類機型)，標準整體結構分為4個部分(第一部分是通用要求，其他3個部分針對3類機型提出具體要求)。另外API 617—2002在設備設計、制造、動力學等方面的技術要求也有所提高，比如設備不間斷連續運轉時間由3年提高至5年、轉子動力學部分的規定也增加了大量篇幅。JB/T 4359最早是等同采標ISO 8011—1988的，僅適用于介質為空氣的軸流式壓縮機，它在特殊工況下的材料選擇、轉子帶阻尼不平衡響應分析及穩定性分析、性能試驗執行標準等方面的規定，與API 617標準相比要簡單一些。

表1 透平壓縮機適用技術標準

透平壓縮機輸送各種工藝氣體時，為了防止或限制這些氣體沿壓縮機旋轉軸泄漏到大氣中，就必須采用軸端密封，保證運行安全。透平壓縮機一般選用迷宮密封、浮環密封、機械密封、干氣密封等類型的密封。干氣密封這類非接觸式密封，由于具有可靠性高、無油污染、功率消耗低、壽命長等優點，已成為危險性氣體軸端密封的主要選擇。SY/T 6651標準中對各類軸端密封都做了詳細規定，并附了典型的結構剖面圖。而JB/T 11289僅適用于干氣密封一種類型，但對應壓縮機和泵兩類應用，在密封設計、制造、檢驗、泄漏標準等方面的規定還比較詳細。

國家標準GB/T 25630—2010是等同采用國際標準ISO 5389—2005的，是透平壓縮機性能試驗的準備、過程以及評定所應遵循的標準規程。API 617—2002在壓縮機性能試驗標準規定中也認可ISO 5389標準規定，但首選的性能試驗標準還是美國標準ASME PTC-10—1997。實際上，ISO 5389是結合了美國標準ASME PTC-10和德國工程師協會標準VDI 2045的相關規定而形成的國際標準，它更注重于通過相似理論將試驗結果中的測量值換算成保證條件，以驗證結果的保證程度。行業標準JB/T 3165與ASME PTC-10是非采標關系，雖然這兩個標準都將試驗類別劃分為合同指定氣體和代用氣體2類，但ASME PTC-10在氣體計算公式、換算模型推薦、壓縮機段間冷卻模型處理等相關規定上更加詳實。

1.2 離心泵技術標準比較

油氣行業離心泵主要適用的技術標準見表2。

表2 離心泵適用技術標準

從表2可以看出，GB/T 16907、GB/T 5656和GB/T 5657這3個標準分別等同采用國際標準ISO 9905、ISO 5199和ISO 9908，實際上就是國際標準化組織依據可靠性、操作條件等因素劃分出的3類離心泵。這3類泵在設計、制造和驗收規定上都是不一樣的，其中Ⅰ類最嚴格，Ⅲ類最寬松。我國油氣行業常用的是ISO標準的第Ⅱ類泵，也就是國家標準GB/T 5656—2008(ISO 5199)規定的這類離心泵。這個標準引用了GB/T 5662—2013(ISO 2858)、GB/T 5660—2013 (ISO 3661)和GB/T 3216—2016 (ISO 9906)，囊括了這類泵完整的結構與水力性能試驗規定。GB/T 3215—2007等同采用美國石油協會標準API 610—2004，按該標準制造的泵就是常說的API離心泵。下面通過表3簡單對比一下GB/T 3215和GB/T 5656這2個離心泵標準。

表3 GB/T 3215—2007和GB/T 5656—2008比較

從表3看， GB/T 3215適用的離心泵類型更多，各項技術指標更嚴格，提出的要求和驗證程序更具體； GB/T 5656所適用的泵最高工作壓力相對低，且選材、軸封沒有給出具體指南，而諸如“滿足工況要求，滿足訂單要求”這樣原則性要求多，給出的技術指標也相對低一些。

在表3中出現的軸封標準ISO 21049， 實際上與API 682是等同的， 而GB/T 34875—2017又是等同采用ISO 21049—2004的， 所以這3個標準是一致的。ISO 21049(API 682)適用的密封腔工作范圍為： 溫度—40～400 ℃、 壓力4.2 MPa(絕)以下， 軸徑范圍為20～110 mm。密封按尺寸和工作范圍分為3種類別， 按密封件構成分為A、 B和C型3種型式， 按布置方式分為單端面、 無壓雙重和有壓雙重密封3種結構。這個標準對3種類別的密封在選型、 選材、 認定試驗等方面作出了詳細規定， 保證所選密封能夠達到連續運行3年的可靠性要求， 泄漏量指標為： 每對密封面允許逸出氣體體積濃度1 000 mL/m3(采用EPA方法21測定)，液體平均泄漏量為5.6 g/h(2滴/min)。我國泵用機械密封標準JB/T 1472適用的密封腔工作范圍為：溫度0～80 ℃、壓力3 MPa 以下，軸徑范圍為16～120 mm。該標準規定了7種單端面密封型式，適用轉速不大于3 000 r/min，泄漏量指標為：軸外徑50 mm以內，泄漏量不大于3 mL/h；軸外徑大于50 mm，泄漏量不大于5 mL/h。由此可以看出：JB/T 1472規定的密封的最高工作溫度比ISO 21049(API 682)規定的第一類密封低不少，而工作壓力是相當的。如果按1 mL水等于25滴考慮，則這2個標準規定的液體允許泄漏量指標是相當的。需要指出的是：ISO 21049(API 682)規定要用水，丙烷，20%濃度氫氧化鈉，冷、熱礦物油等5種試驗液體進行一系列的靜、動態試驗來認定密封性能是否達標；而JB/T 1472僅規定用常溫清水完成密封泄漏試驗。有研究顯示，密封泄漏量隨著介質粘度的增加而增加【19】。從這個角度看，ISO 21049(API 682)的認定試驗更嚴謹、更貼近實際應用。

SH/T 3139在開篇針對于石油化工用重載荷離心泵作出了定義， 即“泵送介質為易燃或危險的； 或泵操作條件超出任一限制的： 額定排出壓力大于1.9 MPa(表)、 操作溫度大于等于225 ℃、額定轉速大于3 000 r/min、 額定揚程大于120 m、最高吸入壓力大于0.5 MPa(表)、 懸臂泵最大葉輪直徑大于330 mm； 或用作液力回收透平的泵”， 并規定重載荷離心泵遵循產品標準ISO 13709(API 610)以及SH/T 3139的補充技術規定。這些補充技術規定大多是對ISO 13709(API 610)標準選項條款的確定[如泵出、 入口法蘭力與力矩是ISO 13709標準的2倍， 軸封選用ISO 21409(API 682)的二類密封等]。SH/T 3140在開篇對石油化工用中、輕載荷離心泵作出了定義， 定義條件基本與SH/T 3139規定的重載荷條件相反， 并規定中、 輕載荷離心泵遵循產品標準ISO 5199以及SH/T 3140的補充技術規定[比如泵出、 入口法蘭力與力矩等同ISO 13709， 軸封選用ISO 21409(API 682)的一類密封等]。

2 技術標準選用建議

對于標準的不同之處，上文已進行了比較，那么，在項目設計、采購中如何選用相應的技術標準呢？這個問題要從2個方面來回答：一個是不同標準間的取舍，另一個是單個標準內選項條款的確定。

煉油催化裝置主風機選用產品標準JB/T 4359是合適的， 國內主要軸流式空氣壓縮機供貨商也是這個標準的主起草單位。而其他透平壓縮機遵循的產品標準以SY/T 6651、 JB/T 6443為主， 這些行業標準又都是等同采標API 617標準的， 所以這類設備標準選用重點就在于對API標準選項條款的確定上。主要選項條款包括選擇機型， 確認氣動模型和性能曲線； 選擇材料， 轉子動力學達標； 選擇密封，確定試驗方法與程序等。壓縮機采購時要重點評價供貨商對買方提出標準的偏離， 尤其是對新機型壓縮機， 確認偏離時更應從嚴。多年來正是依靠對標國際先進技術、 嚴格落實制造標準這條經驗， 我國實現了百萬噸乙烯三機、 20 MW級管道壓縮機等重大裝備國產化的卓越成果。對于氣動模型已建立且經過運行檢驗的壓縮機， 在確認技術偏離時， 可由買賣雙方根據設備應用情況并結合經濟性因素自行協定。

離心泵標準選用要遵循以下3個原則：

1) 判定是不是重載荷工位泵，從而科學選用相應產品標準。重載荷意味著泵運行可靠且性能穩定，泵送介質安全性要求高，參數和操作條件達到SH/T 3139標準規定。重載荷工位泵要遵循產品標準API 610(GB/T 3215)、ISO 21409(API 682)。典型重載荷工位泵有油田管道項目用的給油泵、輸油泵、各類輕烴泵，煉油乙烯裝置用的塔底泵、油漿泵、進料泵、高壓鍋爐給水泵、低溫筒袋泵、立式高速泵等，這里不能一一列舉，可根據對重載荷的定義自行判定。非重載荷工位泵應遵循的產品標準是ISO 5199(GB/T 5656)，典型用泵有環保或給排水專業的水泵、非腐蝕液體泵、排污泵等。

2) 做到適度選用標準。為了增加質量裕度，提出過于苛刻的NPSHR要求、能用單端面密封的改用雙端面密封或者提出泵法蘭受力載荷倍數過大等標準選項條款是沒有必要的。標準選用應滿足生產和環保需要，做到適用、適度。

3) 結合供貨商承諾的出廠標準，做到選用結果符合市場實際。原油或成品油管道長距離輸送多采用密閉、泵串聯方式。管道輸油泵操作條件的特點是輸送流量范圍大、壓力高、工況多變，泵密封承壓也很高。國產大功率管道輸油泵密封多按照API 682標準設計，多選用單端面機械密封配PLAN31+PLAN65沖洗方案【20】。在實際應用中，受工況多變和現場條件影響，國產輸油泵密封承諾的壽命和泄漏標準能達到JB/T 1472標準的規定，但在可靠性和穩定性指標上和API標準相比還有一定差距。

3 結語

選用什么技術標準是買方需求的體現，反映的是買方為保證所購物資滿足質量要求而提出的技術要約。選定后的標準也成為供貨商組織產品生產和交付驗收的依據。選標準意味著選質量，同時也意味著選采購成本。透平壓縮機和離心泵這類透平機械多為企業生產經營中的關鍵設備，在項目建設中應追求采購性價比最優的目標。能夠科學、適度且符合實際地選用技術標準是實現這一目標的根本保障。