api610第12版中文版_API610標準泵性能的解讀

前言

    由于API標準所涉及的內容基本來自于良好的工程驗證和操作實踐，執行該標準的產品具有運行可靠性高、壽命長、可操作性強和安裝維護方便等突出優點，因此，目前已被廣泛應用于國內外重要工況、關鍵場合的設備中。

    性能體現的不僅僅是流量和揚程，而且還直接影響到泵在現場運行的可靠性、可操作性及使用壽命。本文將結合工程實踐經驗，對ANSI/API610第11版標準中關于離心泵性能方面的條款進行專門的解讀，希望能對石化泵行業有所借鑒。

    注：本文中所涉及的條款、表及圖號均指API610第11版標準所對應的條款、表及圖號。

設計方面的規定及解讀

    條款6.1.5   在額定條件下，應能通過更換一個更大直徑的或不同水力設計的、具有變速能力的或采用一個空級的葉輪后，泵的揚程至少應提高5%。

    此要求旨在防止因購買泵后水力要求的改進而導致選型的變化，不是為了適應未來生產能力的擴充。

解讀

    API 610標準不接受最大葉輪直徑的泵，除非泵已預留了(能使揚程提高5%的)一個空級葉輪或增速余量范圍，亦或得到買方的認可。該要求不是用于將來系統或設備的擴能，而是防止在合同簽訂后，因水力改進而導致選型發生變化(引起性能不足)。

    條款6.1.8   ……在確定裝置汽蝕余量時，買方和賣方應當弄清楚最小連續穩定流量與泵的吸入比轉速之間的關系，一般來說，泵的最小連續穩定流量隨著吸入比轉速的增加而增加……，選擇吸入比轉速的大小及NPSH安全裕量時，應當考慮現有的工業水平和制造廠經驗。

解讀

    吸入比轉速是衡量一臺離心泵吸入性能的一個指標，也是對內部回流敏感程度的一個評估尺度。標準附錄A對吸入比轉速的定義為：吸入比轉速S，是在最大葉輪直徑和給定轉速下、以最佳效率點的流量來計算的，是一個與離心泵吸入性能相關的參數。

    根據汽蝕基本原理，吸入比轉速越大，泵的抗汽蝕能力越好，即NPSH3越小。但是，并非吸入比轉速越大越好，一方面現有的技術水平決定了NPSH3不可能無限制的減小；另一方面吸入比轉速的大小與泵的運行可靠性(振動)密切相關。

    關于吸入比轉速對離心泵運行可靠性的影響，國際同行具有非常豐富的工程應用經驗，并給出了吸入比轉速的最大限定值。其中，UOP 5-11-7規范中規定的吸入比轉速的限定值在全球得到了廣泛的認可和應用，其規定如下：

    泵的吸入比轉速不得高于13000(m3/h, rpm, m)；當泵送介質為水或水含量超過50%的溶液，并且泵的單級葉輪功率超過75 kW時，吸入比轉速不得高于11000 (m3/h, rpm, m)。

    之所以對吸入比轉速給出限定值，是因為每臺泵都有一個流量運行范圍，在該運行范圍之內，可接受的振動特性與吸入比轉速密切相關。對于高吸入比轉速的泵，當其在最高效率點附近運行時，葉輪入口處介質的流動較為穩定和均勻；而當流量不足或泵偏離最高效率點運行時，將會在葉輪的吸入口和吐出口產生內部回流、增加能量損失，導致泵的振動明顯增大。也就是說，吸入比轉速越大，導致出現內部回流的流量也越大，即泵的最小連續穩定流量也越大。

    雖然隨著科技的進步，出現了一些其它可改善離心泵吸入性能的設計手段，吸入比轉速的限定值也隨之相應提高。但在作者研究了國際同行數千臺離心泵實際工程應用的基礎上，總結出BB2型泵吸入比轉速的限定值基本控制在14400(m3/h, rpm, m)以內。

     條款6.1.11 對于所有應用條件，泵最好具有穩定的流量-揚程曲線(即揚程曲線呈連續上升狀直到關死點為止)。如果買方規定是并聯運行，則必須具有這種穩定的流量-揚程曲線。如果規定并聯運行，則曲線上的揚程上升量至少應當是額定流量點揚程的10%。

解讀

    該條款在并聯運行的泵中已得到廣泛應用，要求從額定流量點到關死點流量-揚程曲線呈連續上升狀，不允許出現駝峰。如果揚程曲線有駝峰，在同一揚程下對應有兩個不同流量點，一方面易引起誤操作(或誤報)；另一方面因駝峰的存在、而出現一個不穩定的運行區間，當泵在該區間內運行時，振動和噪音會顯著增加。

    如果揚程上升量太小，即泵出口壓力變化太小，將不便于用戶現場的調節和監測。但揚程上升量也不宜太大(特別是多級泵)，否則影響下游管路的設計壓力等級，增加投資成本。在工程實踐中，至關死點，揚程上升量通常規定為10～20%；但對于高壓多級泵，至關死點，揚程上升量通常會放寬到10～25%。

    在實際工程應用中，低比轉速離心泵流量-揚程曲線極易出現駝峰，為此，對于已發貨的實型泵應避免在不穩定運行區間(即偏小流量工況)內運行；對于新開發的產品，在設計過程中應采取適當的措施避免流量-揚程曲線出現駝峰。而對于高轉速泵，如火電廠高壓鍋爐給水泵及核電站主給水泵，通常均配有前置(增壓)泵。為此，應合理分配鍋爐給水泵/主給水泵和前置泵的揚程、以提高泵的比轉速，從而避免性能曲線出現駝峰。

    條款6.1.12 應當給泵一個優先選用的工作區，此工作區位于所提供葉輪的最佳效率點流量的70～120%區間內。額定流量點應位于所提供葉輪最佳效率點流量的80～110%區間內。

解讀

    最優的選擇是泵的額定流量點位于最佳效率點的右側、而正常運行點位于最佳效率點的左側，但在實際應用中很難出現這種非常滿意的選擇。不過，作為一個指導性原則，應盡量使泵的運行工況處于或靠近上述區間。

    正如條款6.1.8解讀中所說的“每臺泵都有一個流量運行范圍”，一旦偏離該流量范圍，泵的振動將會顯著增加。對此，條款6.9.3.1中給出了明確說明：離心泵的振動隨著流量而變化，通常在最佳效率點流量附近振動最小，然后隨著流量的增加或減少振動增加……

    標準之所以要求泵制造商給出一個優先選用的工作區，其主要目的是確保泵(在用戶現場)盡可能處于最佳運行工況和最佳運行狀態。

    條款6.1.15 單級揚程超過200m和單級功率超過225kW的泵需要特殊措施來減小葉輪葉片通過頻率振動和小流量時的低頻振動。對于這些泵，導葉與葉輪葉片外圓之間的徑向間隙至少為最大葉輪葉尖半徑的3%(對于導葉式泵)和最大葉輪葉片尖半徑的6%(對于蝸殼式泵)。

解讀

    此類泵稱為高能泵。如果出現振動超標，上述間隙因素有可能是引起的原因之一。在實際工程應用中，其實這種現象普遍存在于所有離心泵，國外將這種現象稱為“葉片流道綜合癥”。當液體流經該小通道時，液體的流速增加引起液體壓力的下降、局部汽化，產生汽泡，然后在較高的壓力下破裂，導致汽蝕、引起泵的振動。

    相信從事石化泵的同行們很多人都有過這樣的經歷：當某一系列泵用到最大葉輪(葉片)直徑時，在運行過程中發生振動超標的概率將明顯增加，就是因為葉輪葉片與蝸殼/導葉之間的間隙太小所致。

試驗方面的規定及解讀

條款8.3.3.1  除非另有規定，每臺泵都要做性能試驗。

條款8.3.3.2  在進行性能試驗之前，當泵在試驗臺上運轉時應當達到下列的a)至i)的要求。

a)   在做性能試驗時泵內應使用合同規定的密封和軸承。

b)   如果經買方批準，為了防止損壞合同規定的密封或者合同規定的密封與試驗液體不相容，則在性能試驗過程中可以使用代用密封。

c)   在泵進行性能試驗的任何階段，密封不應當有超出ISO 21049：2004，A.1.3的規定或買方與賣方協商的另外的泄漏率……

i)   除非另有商定，性能試驗液體應當為溫度低于55℃的水。

解讀

    標準要求每臺泵都必須要進行性能試驗。性能試驗時，必須使用合同規定的密封和軸承；除非另有商定，否則密封泄漏率應不超出ISO 21049：2004標準A.1.3的規定；性能試驗所使用的液體應為低于55℃的清水。

條款6.9.3.2  在性能試驗過程中，除了關死點之外的每個試驗點上進行5Hz至1000Hz范圍的全振動測量和快速傅里葉變換(FFT)測量，還應在下列位置進行振動測量……

    ●條款6.9.3.3  快速傅里葉變換頻譜應包括從5Hz到2Z倍運行轉速的頻率范圍(這里Z為葉輪葉片數。在裝有不同葉輪的多級泵中，Z是任何一級中葉輪葉片的最高數)……

解讀

    此處快速傅里葉變換(FFT)測量是指進行頻譜測量和分析，以判斷引起振動的原因。實際工程應用中，通常僅在振動超標時才測量頻譜。

    ●條款8.3.3.3  除非另有規定，性能試驗應按如下a)至e)的規定進行。

    a)  賣方應測取至少5個點的試驗數據，包括揚程、流量、功率及振動。正常情況下這5個點應當是……

    c)  除非雙方另有商定，試驗轉速應是泵數據表中(參見附錄N中實例)所列額定轉速的3%以內。試驗結果應修正到額定轉速的性能……

    ●條款8.3.3.5  在性能試驗期間，應能達到下列a)至d)的要求。

    a)  在試驗過程中，除關死點外對每個測試點應當按照6.9.3.2的規定記錄振動值。振動值不應當超出6.9.3.6中的給定值……

    c)  泵應在6.10.2.4規定的軸承溫度限定值內運行，不應顯示出不良運轉的跡象，例如汽蝕引起的噪聲……

    ●條款8.3.4.2.1  如果有規定，泵應在試驗臺上運轉直至達到油溫穩定(6.10.2.4)。

    ●條款8.3.4.2.2  如果有規定，泵應當在額定流量下進行機械運轉4個小時。

解讀

    以上條款前帶黑圓點(●)的雖然不屬于強制性條款，但在實際工程應用中基本按強制性條款執行。

1)  性能試驗取點數不少于5個點，并詳細規定了取點要求；

2)  測量的內容包括流量、揚程、功率及振動；

3)  試驗轉速不得低于泵額定轉速的3%；試驗結果應修正到額定轉速的性能。

4)  試驗期間，軸承溫度及軸承潤滑油溫度不得超過標準規定的限值；

5)  如果有規定，機械運轉試驗(@額定流量下)持續時間通常為4小時。

資料提供要求及解讀

    條款10.2.4  賣方應該提供完整的性能曲線，包括流量-揚程、流量-效率、流量-NPSH3(水試時)和流量-功率曲線。除低比轉速泵(無法達到)以外，這些曲線至少應延伸到最佳效率點流量的120%處，并且應注明額定工況點。應當包括最大和最小葉輪直徑的揚程曲線。曲線上應當示出葉輪代號、比轉速和汽蝕比轉速。如果適用，曲線上應當示出粘度修正曲線。應當標出最小流量(最小連續熱控流量和最小連續穩定流量)、優先工作區和允許工作區以及任何使用限制。

解讀

    該條款專門針對提供給用戶的性能曲線所必須包含的內容和要求，具體包括：

    1)  流量-揚程、流量-效率、流量-NPSH3和流量-軸功率4條基本曲線；

    2)  如果可能的話，曲線至少延伸到最佳效率流量點的120%處，并在曲線上注明額定工況點位置；

    3)  最大和最小葉輪直徑下的流量-揚程曲線；

    4)  葉輪代號、比轉速和汽蝕比轉速(實際工程應用中，如有要求，比轉速和汽蝕比轉速值通常會填寫在數據表中)；

    5)  如果泵送的是粘度介質，應給出粘度修正曲線；

    6)  最小流量、優先工作區和允許工作區。

    實際工程應用中，通常僅提供最小連續穩定流量值，而不提供最小連續熱控流量值。

總結

    API 610標準不接受最大葉輪直徑的泵，除非泵已預留了能使揚程提高5%的具體措施或得到買方的認可。

    流量-揚程曲線不允許出現駝峰。且對于并聯運行的泵，從額定點到關死點，揚程上升量應不低于10%。

    泵制造商應提供完整的性能曲線。除提供4條基本曲線以外，還應給出最大、最小及額定葉輪直徑下的流量揚程曲線；標明額定工況點；標出泵的優先工作區和允許工作區等。

    對于高能泵，最大葉輪葉尖與導葉或蝸殼之間必須具有足夠的徑向間隙，以避免產生葉片流道綜合癥。

    API標準要求每臺泵都要進行性能試驗，且性能試驗取點數不少于5點。同時，試驗轉速不得低于額定轉速的3%。試驗結果應修正到額定轉速的性能。

    如果有規定，機械運轉試驗(@額定工況點)持續時間不得少于4小時。

文章來源：化工設備與機械