对API 610标准的认识与基本判断

2020-12-30沈渝生闫丽君

石油化工设备 2020年4期

沈渝生，闫丽君，刘元

(重庆水泵厂有限责任公司，重庆 400033)

API 610《Centrifugal Pumps for Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries》已发布多个版本，在我国石油、石化及天然气等行业已执行多年，相关从业人员对其性质、对象、作用、地位与影响力等都有深入了解。API 610不仅被国际标准ISO 13709《Centrifugal Pumps for Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries》[1]的不同版本采纳，在国内也被GB/T 3215—2007《石油、重石化和天然气工业用离心泵》[2]和SH/T 3139—2011《石油化工重载荷离心泵工程技术规范》[3]采用。目前，API 610已正式发布了11版，第12版预案也已在相关国际会议上流传[4]。API 610虽已使用多年，但由于语言习惯和文字表达方式的不同，可能会在标准的认识与理解上产生差异，甚至执行时发生偏离。国内外对API 610的某些规定，如多数泵(包括OH型泵)最低压力等级都规定为4 MPa等存在疑问。笔者将对API 610的适用范围，以及如何认识与判断该标准中涉及石油、石化和天然气工业用泵技术条件的主要规定等进行初步探讨。

1 API 610适用范围

API 610适用范围包括6项，即排出压力(表压)1 900 kPa(275 psi或19.0 bar)、吸入压力(表压)500 kPa(75 psi或5.0 bar)、泵送温度150 ℃(300 ℉)、转速3 600 r/min、额定扬程120 m(400 ft)、叶轮直径(悬臂泵)330 mm(13 in)。API 610指出，只要满足6项条件中的任何一项，就适用该标准。

2 对API 610的认识与基本判断

2.1 heavy duty pump不完全是重载荷泵

API 610第11版，即API 610—2010《Centrifugal Pumps for Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries》[5]第1章注释中将适用范围泵定为heavy duty pump，SH/T 3139—2011将其译为重载荷离心泵，并编制了与之互补的SH/T 3140—2011《石油化工中、轻载荷离心泵工程技术规范》[6]。综合看API 610—2010适用的6项条件，将heavy duty pump定为重载荷泵似乎有道理。但只看其中一条，将heavy duty pump定为重载荷泵难免有些牵强。heavy duty的确可译为重载荷，但仅以重载荷解释可能会引起误判。API 610第8版[7]已将易燃、有危险介质的石油、石化、天然气行业的高危特征放在标准制定首位，并纳入了标准范畴。对高危行业，应该有严格的防范措施和万无一失的准备。例如对高危行业用核电设备，就提倡冗余设计，并将安全可靠贯穿始终。将API 610看作是执行严苛操作条件重要工位用离心泵标准可能会更合适，而不单指重载荷。

API 610—2010所提其他行业重要泵应执行ISO 9905—2010 《Technical Specifications for Centrifugal Pumps—Class Ⅰ》[8]和 GB/T 16907—2014 《离心泵技术条件(Ⅰ类)》[9]。ISO将离心泵技术条件分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，其中Ⅰ类技术条件要求最严，Ⅲ类技术条件要求最松，并未按载荷分类。ISO 9905—2010针对的是离心泵技术条件中的Ⅰ类。

2.2 cost effective不宜译为成本低

API 610第11版第1章适用范围中有一段新增内容：“Relevant industry operating experience suggests pumps produced to this international standard are cost effective when pumping liquids at conditions exceeding any one of the following”。国内有中文版将此段译为“相关行业运营经验显示，当泵液体在超过任何下列条件(即前述适用范围6条)之一，用本国际标准生产的泵成本低”，其中的cost effective被译为成本低。而实际上，要保证严苛条件下泵的安全可靠运行，得到结构性能可靠的泵，按API 610设计、制造的泵，不仅不可能生产成本低，反而费用会更高。按API 610—2010生产的泵的价值是通过相关行业运营经验体现，并非通过相关泵制造行业经验显示。因此，cost effective暗示的不应该是生产成本低，而是通过运行使用业绩体现出按API 610—2010生产的泵更值得购买和使用。

要正确看待低成本，尤其是设备竞标中的低成本问题。笔者曾参与过某核电工程中泵一体化加药装置项目的采购评标，该装置中有1台十多立方米的不锈钢溶液罐。某企业的竞价标底仅为其他企业的一半，但所提供溶液罐罐体壁厚仅3 mm，而其他报价较高企业提供的溶液罐体壁厚为8 mm。该核电项目有腐蚀裕度、使用寿命60 a和稳定运行等要求，3 mm壁厚罐体根本无法满足要求。低成本可能存在价格陷阱，更会带来安全隐患。

2.3 技术要求重点

API 610第8版曾要求，对不在6项条件内以及不输送易燃和无危险介质的泵，至少应在使用寿命、选材、轴刚度、机械密封、轴承和辅助管路等方面满足标准要求。这既突出了API 610规定的技术要求的重点，也表达了API对进入石油、石化和天然气工业领域服务的所有泵，需达到同种寿命和同种质量水平的一种期待。而现行API 610第11版提出，按API 610—2010生产的泵更值得购买使用，仍是这种期待的延续，同时表明API 610—2010不具有强制性。

2.4 泵体承压件最低设计压力等级

API 610—2010规定，除BB1型轴向剖分式和VS1～VS7型立式泵的额定压力等级须与ASME B16.5 150级(ISO 7005-1 PN20)钢制法兰的材料等级相对应外，所有其他类型泵38 ℃时的额定压力至少等于4 MPa。对此规定，很多人认为会过分增加承压件壁厚，也会增大水压试验的风险。因为水压试验是按设计压力的1.5倍试压，最低压力等级定得越高，试压风险越大。

产品壁厚的确定受多种因素影响。泵体承压件常为铸锻件，对铸锻件，尤其是铸件，除了考虑基本力学强度计算结果以及标准规定的腐蚀裕量外，还要考虑热加工中诸如钢水的流动性以及加工负偏差(包括铸造错箱、错位)等影响因素，这就可能使得铸件壁厚最终结果不完全取决于力学计算结果。泵体承压件需要连接法兰，按照ISO 7005-1—2011《Pipe Flanges—Part 1：Steel Flanges for Industrial and General Service Piping Systems》[10]制定的GB/T 9124.1—2019《钢制管法兰第1部分：PN系列》[11]中的法兰尺寸来自ASME和EN标准，也是API 610—2010要求选用的法兰规格。对整体钢制管法兰，若选择PN16的DN10～DN40 mm法兰和PN25的DN10～DN150 mm法兰，均要求按上限高一等级的PN40(4 MPa)规格尺寸选取。也就是说，API 610—2010将多数类型泵的最低设计压力等级定为4 MPa，与泵配套法兰压力等级适配有关。这只是其中一个原因，实际工程应用中，离心泵出口超过DN150 mm的配套法兰规格应不在少数。

水压试验风险主要与承压件密封面积大小有关。根据压强关系，在相同压力等级下，密封面越大受力越大，风险越高，而泵体密封面较大的主要是大流量泵。API 610—2010面向的是离心泵，而离心泵是介于中小流量和较高扬程的泵。为解决流体输送及增压流程中的冷却和热效率提高等问题，选择泵时一般存在两种思路，即加大流速、提高压力、减小流量，或降低流速、减小压力、增大流量。这使得往复泵、离心泵、混流泵和轴流泵等不同类型的泵都有各自的应用与发展空间。大流量高扬程虽然是离心泵发展方向，但实际应用中流量很大同时扬程又很高的离心泵并不常见[12]，这就避免了离心泵水压试验风险。对密封面较大的BB1型泵，API 610规定的最低压力等级不是4 MPa，而是2 MPa。

规定承压件最低设计压力等级，并且将最低设计压力等级向上限定，是石油、石化及天然气工业用泵安全稳定可靠运行的需要，也是冗余设计思想的体现。

2.5 否定所谓成熟技术

泵为转动机械设备，在液体能量转换过程中，因存在运转间隙，会使液体发生泄漏而增加容量损失。同时泵工作时叶轮两侧所承受的压力不对称，会产生轴向推力。泵的内漏限制和轴向力平衡一直是需要解决的问题。

API 610—2010规定，运转部件间的间隙应能限制内部泄漏，必要时可利用泄漏平衡轴向力。对限制内部泄漏，API 610—2010要求，在所有规定操作条件下，转动部件间的间隙须足以保证运转的可靠和不发生卡死。为此，API 610—2010提供了最小运转间隙尺寸。这些尺寸比其他工业用泵，特别是输送一般介质和一些高效泵要求的运转间隙尺寸大。即便如此，API 610还规定，对使用了易咬合材料和输送介质温度超过260 ℃的泵，转动部件运转间隙尺寸须在最小运转间隙直径尺寸基础上再另加125 μm。这些规定都彰显了API 610追求高效和安全至上的目标。

在平衡轴向力方面，API 610—2010规定，不得采用叶轮背叶片或轴向间隙接近的结构来平衡轴向力。采用叶轮背叶片平衡轴向力可省去1个密封环或1条连通吸入口的平衡管路，国内很多企业目前都还在使用此方法，并认为是成熟技术。背叶片装设在叶轮后盖板的外侧，相当于附加了1个半开式叶轮。主叶轮工作时，半开式叶轮一起投运，强制叶轮背面的液体加速旋转，使叶轮背面压力明显下降，用以减小或平衡轴向力。但要使背面液体压力下降，装设的叶轮背叶片与泵体壁或泵体后盖板间的间隙设计就十分重要，若间隙过大，叶轮背叶片将不起作用[13]。2014年，国内一家有背叶片使用业绩的泵生产厂家为某核电工程项目提供了离心泵，就因背叶片设计间隙问题导致使用了叶轮背叶片的一批泵发生轴承烧损的事故。API 610—2010对存在安全隐患的所谓的成熟技术予以否定，需要引起国内业界的重视。

2.6 限定泵构件用高强度钢硬度

腐蚀会对工业设备造成严重危害。湿H2S主要引起石油、石化和天然气工业中的金属构件发生硫化物应力开裂(SSC)，SSC具有应力腐蚀开裂(SCC)与氢脆(HE)的重叠作用。SSC腐蚀破坏具有突发性，比均匀腐蚀危害更大，且H2S本身有剧毒，因此SSC是各种腐蚀形态中最危险的一类。ISO 9905—2010、GB/T 16907—2014及API 610—2010，对暴露在湿H2S中的泵构件选材都有具体规定。对SSC而言，硫化物腐蚀是诱因，腐蚀后氢原子更容易侵入，尤其在高强度钢中会使金属晶格高度变形，晶格应变增大，继而降低金属材料的塑性和韧性，引起脆化。HE是湿H2S引发并导致暴露其中的承压件，特别是高强度钢制作的过流部件断裂敏感性激增的最主要原因，而HE的防护主要与材料的力学效应有关。

针对湿H2S环境下泵构件材料的选用，API 610—2010第6.12.1.12条明确提出，需选用符合ANSI/NACE MR0103/ISO 17495-1—2016《Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries—Metallic Materials Resistant to Sulfide Stress Cracking in Corrosive Petroleum Refining Environments》[14]或ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1—2015《Petroleum and Natural Gas Industries—Materials for Use in H2S-containing Environments in Oil and Gas Production—Part 1：General Principles for Selection of Cracking-resistant Materials》[15]中规定的降低硬度的材料，若选择标准规定以外的铁基材料，则不能选用屈服强度超过620 N/mm2和硬度超过HRC22的材料。对工业用泵，特别是石油、石化、核电及军工等重要领域关键工位用泵，除对主要构件材料有耐腐蚀要求外，更关键的是须保证承载和安全运转要求。而为确保泵壳体不变形，严格限制泵轴挠度，如不使用屈服强度超过620 N/mm2或者硬度超过HRC22的铁基材料，将很难满足泵的相关安全运转要求。因此，GB/T 16907—2014(ISO 9905—2010)第5.1.11条提出，要耐湿H2S腐蚀，泵构件材料应采用屈服强度超过620 N/mm2或硬度超过HRC22的材料，但这条只有下限而没有上限的规定显然有问题。

用于核电设备承压件连接螺栓的规范RCC-M M5110—2007《用于制造1、2、3级设备中螺钉类紧固件和驱动杆的轧制或锻造棒材》[16]中指出，17-4PH沉淀硬化型不锈钢的硬度要求不小于HRC32。经对某专业紧固件厂的调查发现，为满足硬度值要求，加之热处理时效温度优选范围区间允许有±10 ℃的偏差，该厂生产的不同批次M24规格螺栓的硬度值都超过HRC33，最高已达HRC38，实测螺栓的冲击功Akv(0 ℃)最高143 J、最低74 J，吸收能量差值相差近一半，对冲击韧性有较大影响。按文献[17]提供的试验数据，17-4PH沉淀硬化型不锈钢用于抗SSC时最高硬度不能超过HRC35，美国国家腐蚀工程师协会(NACE)对承压件紧固螺栓则要求硬度不能超过HRC29。某煤化工项目多级离心泵断轴以及一些核电项目的螺栓断裂多与脆断有关[18]，表明使用高强度钢限制硬度的必要性。仔细研究ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-1—2015与ANSI/NACE MR0103/ISO 17495-1—2016发现，对H2S环境下抗SSC构件的选材，并不是不能选用屈服强度超过620 N/mm2或硬度超过HRC22的材料，ANSI/NACE MR0103/ISO 17495-1—2016中就有不少超过硬度限定值的铁基材料。NACE一直努力探寻不同环境(包括应力)下各种金属材料使用硬度的临界值，然后将其作为标准中金属材料使用硬度的限值，即应该有上限。SSC只是SCC的特例，对高强度钢的硬度进行限定，对H2S腐蚀环境及其他腐蚀环境下的构件，尤其是转轴及其承压件紧固件的选材都有重要的借鉴意义。对泵构件使用的高强度钢，必须对其硬度进行限定。API 610—2010对暴露在湿H2S气体中的构件选材，提出采用降低硬度的材料，理解为限定硬度的材料或许更为合适。

2.7 泵配套基础底座刚度不容忽视

API 610第8版曾被认为是20世纪所颁布的API 610标准中要求最严的版本，其中一个原因是其规定泵的叶轮、平衡鼓等主要转动部件动平衡精度应达到ISO 1940-1—1986《Mechanical Vibration—Balance Quality Requirements for Rotors in a Constant(rigid) State—Part 1：Specification and Verification of Balance Tolerances》[19]中规定的G1级水平。但API 610第9版及以后版本中已改为叶轮、平衡鼓等主要转动部件动平衡精度达到ISO 1940-1—1986中的 G2.5级即可，对动平衡精度是否达到G1级，则由使用方决定。对此改动，API 610的解释是，要达到ISO 1940-1—1986中规定的G1级或更高等级，使用现代平衡机完全可以做到。但由于与不平衡量关联的质量偏心距e的数值很小，经过动平衡试验的部件拆卸再重新装配后，原高平衡精度不能保持，无法重复再现。因此，除对基本转动件外，对两端支承式特定泵型(包括BB1、BB2、BB3和BB5型)，在转速n≤3 800 r/min时，API 610要求采用过盈配合的转子部件的动平衡精度达到ISO 1940-1—1986中的 G2.5级，并不主张一定要高于此精度等级。对转子部件进行动平衡，主要是解决泵运转时的振动问题，而解决振动问题会涉及泵的多个方面。API 610对转子动平衡等级规定的更改，说明并不是通过一味提高动平衡精度等级来解决泵的振动问题。

事实上，API 610—2010中规定了泵体承压件最低设计压力等级，要求计算中充分考虑泵在规定最高工作温度下输送规定液体的最大连续压力，同时规定最大排出压力需增加附加压差、需按给定条件在管口上施加2倍的允许负荷以及经得住1.5倍设计压力的水压试验，以此确定泵体的最小壁厚，使泵承压件具有足够强度。而在主体设备结构强度足够的条件下，对辅助配套底座也做出了相应规定。API 610—2010要求，为使泵和驱动机轴的不对中程度降低到最小，泵及其底座应设计有足够的刚度，并规定了底座刚度试验验收准则，以尽量减少接管载荷、驱动扭矩和其他载荷引起的挠度偏移。强度足够的泵体结构和刚度足够的基础底座，将对抑制转动设备的振动起到决定性作用。

从石油、石化以及核电等重要工程项目现场情况看，国内不重视泵底座设计的现象较为普遍，由此产生的问题也比较多。API 610—2010中规定，对泵的不灌浆底座，应在不灌浆状况下即能满足刚度要求。而前几年某些核电项目建设时，不仅要对一些不灌浆底座进行灌浆，还要另外加焊筋板补强才能保证泵的振动要求。这种重主机、轻配套辅机的做法应当杜绝。实践证明，解决泵的振动问题，泵配套基础底座的刚度不容忽视，这一点比重视动平衡精度更为重要。

3 API 610版本选择问题

2014-09-23～09-25，在美国德克萨斯州休斯顿举办的第43次透平机械与第30届泵用户座谈年会上，API 610标准工作组专责主席——美国KBR公司的Roger L Jones和FLOWSERVE公司市场部的Frank Korkowski在其合作的 “API 610标准第12版预报” 报告中称，API与ISO已决定从第12版开始不再联合，API 610第12版不作为ISO 13709—2009的更新版。

标准的最新版本代表了标准的先进程度和最新水平，反映了该项标准研究的最新成果和各项最新规定，同时也包含了对原有标准的反思和总结。API 610中规定的有些条款前会带黑色圆注点，表示该条款需由使用方提供相关信息或由使用方决定。不仅这些条款，整个标准版本的使用权实际上都是由使用方确定。在ASME QME 1—2007《Qualification of Active Mechanical Equipment Used in Nuclear Power Plants》[20]中，有关泵部分的条款选用的就是API 610第8版，而没有选用当时的最新版本。既然API 610第12版不替代ISO 13709—2009，而ISO 13709现行第2版是API 610的第11版，那么届时API 610第11版与第12版将在美国以外的国家同时出现，并都有可能得到使用方采用。