关于离心泵管口允许载荷的探讨

50FLUIDMACHINERYVol.44,No.12,2016文章编号：1005-0329(2016)12-0050-04关于离心泵管口允许载荷的探讨于胜栓(中国昆仑工程有限公司，北京100037)摘要：详细描述了API610标准关于离心泵管口允许载荷的相关规定，并进行了必要的解读。探讨了目前关于离心泵管口载荷的现状和存在的问题，并给出了相关建议。关键词：API610;标准;离心泵;管口载荷中图分类号：TH3文献标志码：Ad〇i：10.3969/j.issn.1005-0329.2016.12.OilDiscussionoftheAllowableNozzleLoadofCentrifugalPumpYUSheng-shuan(ChinaKunlunContracting&EngineeringCo.，Ltd.，Beijing100037,China)Abstract:API610standardrequirementsabouttheallowablenozzleloadofcentrifugalpumpweredescribedandwereinterpre­ted.Thepresentsituationandtheproblemsabouttheallowablenozzleloadofcentrifugalpumpwereexplored.Theadviceaboutitwasgiven.Keywords：API610；standard；centrifugalpump；allowablenozzleload1前言API610标准已广泛应用于国内外石油、石化、天然气等行业中，是离心泵类设备最常用的标准[1]。但是由于泵制造厂、用户及工程公司的角度不同，导致对标准的理解不同，甚至产生了很大的分歧。尤其是关于泵管口允许载荷的理解，一直持有不同的观点，这给实际工程带来了一定的问题[2’3]。因此，有必要简明扼要的列出API610标准中关于管口载荷的有关规定，并对此进行必要的解读，理解其设计理念，以解决目前面临的问题。2API610标准的规定及解读[4]2.1标准中6.3.3条规定压力泵壳应设计成：(1)在同时承受最大允许工作压力（和最大工作温度）和表5中列出的作用到每个管口上两倍的允许管口负荷的最坏组合的情况下，做到运转无泄漏或转动部件与静止部件之间无接触；(2)经得住水压试验（见8.3.2)。注：两倍的管口负荷要求是压力泵壳设计的准则。管道设计者所用的允许管口负荷值为表5中所列的值，除了压力泵壳设计，包括如泵壳支架或底座刚度的其他因素对允许的管口负荷有影响。这条内容明确规定了2xAPI要求是泵制造商的设计准则，管道设计者应该按1xAPI进行管道设计。这个规定保证了安全系数为2,是非常有必要的，目的是限制泵体的变形，确保口环、节流环等小间隙处的旋转件和静止件不接触，从而保证设备的安全长周期可靠运行。2.2标准中6.5条规定6.5作用在外管口上的力和力矩。6.5.1钢和合金钢卧式泵及其底座、垂直管道泵及被锚定地基支撑，以及立式悬吊式泵，应该设计成在泵的吸入口、排放口以最坏的组合同时作用表5中的力和力矩时有令人满意的性能。对收稿日期：2016-05-092016年第44卷第12期流体机械51于卧式泵，考虑了管口上负荷的两个影响:泵壳的变形(见6.3.3和6.3.4)以及泵和驱动机轴的不对中（参见7.3.20)。6.5.2对于支座未固定在基础上的立式管道泵，管口侧向允许的力和力矩可以是表5中的两倍。6.5.5附录F中列出了超出表5中所列值时考核管口负荷的方法。买方应当意识到，使用附录F的方法比使用表5中的负荷值所产生的不对中高达50%和可能影响设备安装标准。使用附录F的方法要求买方批准和对管道设计师有明确的指导它的使用。6.5.1和6.5.2内容规定了离心泵在泵进出口同时承受1xAPI的管口载荷最坏的组合时应该有令人满意的性能，表5中1xAPI的管口载荷已经考虑了对泵体变形以及轴不对中的影响。如果泵进出口实际承受的载荷为2xAPI甚至更高，那么对于按2xAPI管口允许载荷进行设计的泵的安全系数为零，很有可能得不到令人满意的性能。同时这条内容也规定了一个特例就是对于支座未固定在基础上的立式管道泵，管口侧向允许的力和力矩可以是2xAPI。6.5.5内容规定了管口载荷超过表5中所列值时的计算方法，该方法是供管道设计者在管口载荷超过表5中所列值使用的。2.3标准中7.3底座7.3.20条规定7.3.20由于管路负荷的影响，为使泵和驱动机轴的不对中减到最小程度，泵及其底座应该设计得有足够的结构刚性，以使泵轴驱动端或者泵轴在联轴器轮毂配合处的位移限制在表13所示的数值内。还应指出，热增长、管道加工误差、并对准误差都将影响现场实际的对中值。遵守表5中管口载荷值，泵和驱动轴两端的总偏差大约在250pm(0.OlOin)(见附录F)。这条内容规定了底座应有足够的刚度，在满足表5规定的管口载荷值（1xAPI)时，泵和驱动轴两端的总偏差约为25(Vm。2.4标准中附录F中规定F.1卧式泵F.1.1可以接受的管路布置不应引起泵与驱动机之间过大的不对中。造成泵（管）口各分载荷处在表5规定限度内的管路布置将会使泵体变形限制在泵制造厂设计准则的一半以内（见6.3.3)，并保证泵轴位移小于25(Vm(0.OlOin)。F.1.2造成泵(管）口各分载荷超过表5规定范围之外的管路布置，在未同泵制造厂协商情况下，倘若满足F.1.2a)〜F.1.2c)节规定的条件，则这种管路布置也是可以接受的。满足这些条件将会保证泵壳的任何变形将处在制造厂的设计准则之内（参见6.3.3)，并保证泵的轴位移小于380^m(0.015in)〇(1)作用在每个泵口法兰上的各个分力和分力矩不得超过表5规定限度的2倍以上。(2)作用在每个泵口法兰上的合成外加力和合成外加力矩应当满足适当的相互作用公式(F1)和(F2)。(3)作用在每个泵口法兰上的外加分力和分力矩必须转移到该泵的中心。外加的合力的大小、外加和力矩的大小以及外加力矩的大小应当受到公式F.3、F.4和F.5的制约。公式FI~F5详见API610附录F，附录F是供管路设计使用的准则及方法。F.1.1要求泵口载荷应该在表5即1xAPI之内，并保证泵的轴位移小于25(Vm。F.1.2是要求当泵口载荷大于1xAPI，并满足（1)、（2)、（3)要求的情况下，经过核算满足要求也是可以接受的。这是因为在实际配管布置后，可能仅部分分力和分力矩超过1xAPI，其它的分力和分力矩并不是太大，满足1xAPI的要求，而且由于这些分力和分力矩的相互作用，有些甚至可能抵消，经过核算是满足泵制造厂的设计准则要求的。经过以上对标准关于管口载荷内容的详细解读，可以看出标准的核心宗旨是泵壳按2xAPI管口载荷进行设计，管路设计者按1xAPI进行管路设计，这样能够保证整套泵组安全长周期可靠地运行。3目前现状3.1用户或工程公司对离心泵管口允许载荷的要求目前在国内工程公司离心泵设备询价技术文件中，大致可以分为2种情况：(1)部分用户或工程公司要求离心泵管口实际能够承受的允许载荷按API610表5中的要求或者对管口允许载荷无特定要求，即按API610标准的要求；(2)部分用户或者工程公司要求离心泵实际52FLUIDMACHINERYVol.44,No.12,2016能够承受的管口允许载荷按API610表5的2倍甚至更多倍，而且这样要求的占据很大的比例，因为这样在管路配置时会更容易计算通过[5]。3.2泵制造商对管口允许载荷的设计要求目前国内外泵制造厂以API610作为设计标准进行离心泵设计时，主要分为两类：(1)对于常规离心泵系列，泵制造商在泵的设计中，一般按同时承受最高允许工作压力（和最高运行温度）及表5中给出的作用到每个管口上2倍的允许管口载荷的最苛刻组合（即2xAPI)的情况下，进行压力泵壳的设计。而要求管路设计者所用的允许管口载荷值为表5中所列的值，gpixAPI[6]。(2)对于一些特殊泵系列，泵制造厂也开发了一些高于标准的系列泵，能够满足高于2xAPI以上实际管口载荷，设计时采用4倍甚至4倍以上的表5中管口载荷进行泵的设计，允许管路设计者按2xAPI管口载荷进行管路布置设计，这些是以更高的成本为代价的，对于一般的石油、石化和天然气装置中大多数离心泵而言，是完全不需要的[7]。4目前存在的问题通过用户或者工程公司的要求与泵制造厂系列泵的设计要求对比以及在实际工程项目的执行中经常存在以下问题：(1)在实际的工作中，对于一般的石油、石化和天然气装置设计时经常出现用户或者工程公司要求泵制造厂提供的所有泵安装图上的管口载荷表为2xAPI的情况，但在实际供货时提供的泵型就是标准的API泵型即满足1xAPI，甚至很多国内制造厂提供的泵型还不完全满足API610的要求[8]。(2)在泵的招投标时，会出现对于同一批泵不同制造厂的报价差别很大（除去不同厂家的品牌效应），因为有的制造厂完全响应了用户或者工程公司的技术要求按照实际管口载荷为2xAPI的要求，选择了高于标准的系列泵，而有的制造厂只选择了普通系列泵，忽视了用户关于管口载荷的实际要求，在审核泵技术资料时又发现不了这个问题，或者即使发现了，因为之前的类似项目都是这样的配置，种种原因导致不便于更改，这就导致了不公平竞争。以上两个问题，都会导致用户提出的要求和泵制造厂的设计准则不一致的情况出现，都会引起离心泵管口载荷超过API610标准的规定即1xAPI，为泵的不安全运行留下了隐患。泵管口载荷过大，将会造成泵体变形过大，可能使口环、节流环等小间隙处旋转件和静止件相碰，并破坏泵轴与驱动电机轴的对中，从而缩短轴承和机封的使用寿命，这是离心泵故障的重要原因少一[9]当然对于有的装置而言，已经设计的很多套，一直未出现大的损坏。没有损坏的原因可能有以下几点：(1)实际的工作压力并没有达到设计压力，API610的泵要求最低设计压力为4MPa，而实际泵的工作压力并没有达到。(2)是以牺牲轴承、机封的寿命为代价的。虽然泵体没有损坏，但是由于泵过量变形或者不对中，导致泵寿命降低。(3)实际选择轻载泵即可，却选择了重载泵。所以应该认识到泵没有损坏不代表选择设计没有问题，也有可能是没有遇到有问题的工况或者设计安全余量过大。众所周知，国内泵制造厂提供的离心泵很难达到API610标准要求的“连续运转寿命至少为3年”，过高的管口应力也许是原因之一■05建议通过对API610相关条款的解读，可以很明确的了解到API标准关于管口允许载荷的理念即2xAPI管口载荷是泵体的设计准则，而管路设计使用的载荷应该为lxAPI。API610是石油、石化和天然气工业的通用标准，一般来说按照标准的要求能够满足行业使用的需要，没有必要再提高要求。所以对于一般石油、石化和天然气装置，建议按照标准的要求进行设计选型[1°^]。为了正确执行API610标准的理念，同时避免投标报价阶段的不公平及实际供货与技术协议不一致的问题，关于离心泵管口允许管口载荷的确定有如下建议：(1)在项目初期确定是按API610标准要求还是高于API610标准，对于一般的石油、石化和天然气装置而言，API610标准完全能够满足使用要求，建议按API610标准即可，即泵体按2xAPI2016年第44卷第12期流体机械53进行设计，管路设计按1xAPI进行设计。(2)在实际管路布置时，按照1xAPI进行管路布置设计，如果因为受设备布置和苛刻工况的限制，某个管口的某个力和力矩超过1xAPI小于2xAPI，同时满足附录F的要求，按附录F核算，满足要求即可，如不满足要求需要进行管路布置调整。(3)对于装置中通过调整管路按附录F核算仍不满足要求的设备，可以单独对管口载荷提出要求，选择泵制造厂的特殊系列重载泵。(4)对于装置中的核心设备、装置中的特殊要求等个别设备，可以单独对管口载荷提出要求，选择泵制造厂的特殊重载系列泵，或者由泵制造厂进行单独设计。参考文献[1]于泳水.API610标准化工菜设计探讨[J