离心泵吸入比转速限值探讨

2021-08-06陈伟

化工设备与管道 2021年2期

陈伟

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

当工程公司、设计院对汽蚀余量有较高要求时，就需要泵厂提供更好吸入性能的泵，吸入比转速高的泵。如果泵的水力设计不理想，在偏离设计工况运行时，液体会产生回流、脱流、甚至汽蚀，造成泵的振动超标。为了改善离心泵的吸入性能，泵厂设计人员可通过采用双吸式叶轮、降低泵转速、加大叶轮进口直径D1等方法来实现。在轴径相同、叶轮口环处的直径间隙相同的情况下，吸入性能越好（叶轮入口面积越大，吸入比转速越高），则叶轮口环处的间隙面积越大，意味着回流加大，泵的不稳定运行的可能性加大，振动加大，同时泵的泄漏量加大，泵的效率降低。

为此石化行业标准SH/T 3139—2019[1]或SH/T 3140—2011[2]对吸入比转速S限值有明确的要求，将限值定为12 780（ m3/h， m）。

1 吸入比转速的定义

吸入比转速（Suction Specific Speed），也称汽蚀比转速，常用S或用C表示，是一个衡量离心泵吸入性能的指标。该指标与离心泵转速、流量和必需汽蚀余量NPSH3有关，S越大，表明吸入性能越好。不同地区或国家的计算公式和单位之间有些差异，详见表1。本文以欧美欧洲公制的吸入比转速S限值（m3/ h，m）为对比讨论值。

表1 不同计算公式和单位下的吸入比转速限值及其换算Table 1 Limits and conversion of suction specific speed under different calculation formulas and units

2 业主、工程公司规定的吸入比转速限值

2.1 吸入比转速限值的由来

美国Jerry Hallam 于1983 年在期刊Oil and GasJournal 发表的论文《吸入比转速在泵的故障率中的重要性》[3]中介绍了墨西哥湾沿岸某炼油厂480 多台泵为期5 年的调查结果：离心泵的可靠性与吸入比转速相关明显，当泵的吸入比转速S＞12 780（美制11 000）时，出现故障的概率是较低吸入比转速的2 倍。建议除非离心泵能控制在最佳效率点流量的60% ～ 70%以上运行，否则买方应慎重选用吸入比转速S＞12 780（美制11 000）的离心泵。此文发表后被工程公司、石油公司广泛采用，成为石油化工行业离心泵工程公司、石油公司通行的要求。

2.2 业主、工程公司的要求

2.2.1 UOP 规范

UOP 规范[4]规定，泵的吸入比转速S≤12 780（美制11 000）；当输送介质为水或水含量超过50%的溶液，并且泵的单级叶轮功率超过100 HP（75 kW）时，吸入比转速不得高于11 040（美制9 500）。对于高速泵（OH6 型泵），吸入比转速限值为27 880（美制24 000）。

2.2.2 Foster Wheeler 公司规范

Foster Wheeler 公司规定[5]，离心泵的吸入比转速应≤12 780（美制11 000），当泵有可能在最佳效率点流量的30%或以下操作时，泵的吸入比转速应≤11 620（美制10 000）。超出限值时，应得到买方审查和批准。

2.2.3 国际工程公司协会标准

国际工程公司协会标准PIP RECP 规定[6]，泵的吸入比转速S＞12 780（美制11 000）时需得到买方批准。卖方的技术报价中应规定最小连续流量、最大操作流量，并提供业绩说明。

2.2.4 行业标准SH/T 3139—2019 或SH/T 3140—2011

笔者参与编写的石油化工行业标准SH/T 3139—2019 的5.1.13 条明确规定，对于不带诱导轮的泵，其吸入比转速S应≤12 780，当S＞12 780 时，如果制造厂有数据证明其可靠性，可提供替代设计，但应经买方批准。SH/T 3140—2011 也有类似的规定。

2.2.5 API 610—2009

API 610—2009（第11 版）[7]第6.1.9 条规定：吸入比转速按附录A 计算，如果买方有要求，其值应列在数据表上。2021 年1 月颁布的API 610—2021（第12 版）[8]第6.1.11 条对此有了更明确的要求：当买方对吸入比转速有限值要求时，卖方应按附录A 计算吸入比转速，且其值应小于限值。

3 泵厂对吸入比转速限值看法

3.1 泵厂的统计

表2 是EBARA 公司对2011 年前出厂的2 244台离心泵吸入比转速和小流量下发生振动情况的统计。可以看出，对于BB2 型泵，当吸入比转速S＞13 000 （m3/h，m）有9%的泵在出厂试验或用户现场运行时发生小流量下振动超标，可见吸入比转速限值的必要性。

表2 EBARA 公司不同吸入比转速下的离心泵吸入比转速可靠性情况 [9]Table 2 Reliability of EBARA centrifugal pumps for different suction specific speed

3.2 泵厂的吸入比转速范围

泵厂认为随着技术的发展，在不加大叶轮进口直径，可以通过以下等方法改善泵的吸入性能[9]：①叶轮叶片向泵入口边延伸；②采用后掠叶片；③采用三维扭曲叶片；④优化叶轮叶片前缘轮廓。因此泵厂的吸入比转速范围一般会超出业主、工程公司规定的限值。

如KSB 公司对于常规离心泵的吸入比转速给出的限值为12 000 （m3/h， m），高值为14 400（m3/h， m）。

SULZER 公司针对不同型式的离心泵，吸入比转速限值给出低值-中值-高值。如OH 型泵，吸入比转速限值为11 400-13 800-16 200（m3/h， m）；BB泵，吸入比转速限值为10 200-12 000-14 400（m3/h，m），加设诱导轮，吸入比转速限值为21 000-30 000-42 000 （m3/h， m）。

EBARA 公司，则给出吸入比转速的限值范围，对于OH2 型泵，吸入比转速限值为7 000 ～ 14 000；对于BB2 型泵，吸入比转速限值为8 000 ～ 14 500（m3/ h， m）。

4 工程实例

2017 年我公司设计的天津某石化项目采购了某国际知名泵公司的2 台BB2 双吸双蜗壳离心泵，其结构示意图见图1，性能参数见表3。

表3 某BB2 双吸离心泵参数表Table 3 The BB2 pump's performance parameters

图 1 BB2 离心泵三维结构图Fig.1 Three dimension structure of BB2 pump

2018 年3 月，泵在现场试运转时，发现振动超标。在流量为275 ～ 500 m3/h 区间运行时，振动值普遍在8 mm/s 以上，且极不稳定，忽高忽低。

在排除联轴器对中、轴承问题、底座水平度、底座灌浆因素后，经频谱分析，发现4 倍频下泵的振幅最高。该泵叶轮为4 叶片，4 倍频为叶频（叶片通过频率）。经业主、工程公司、泵厂技术人员讨论，认为是流体激振引起的振动超标，并形成3 个改造方案。

（1）该泵出厂试验的振动值在4 mm/s 以下，勉强合格。泵厂认为可以通过改变进出口管线刚度、底座刚度来改善振动。

（2）该泵出口管径6 in 直接变径到12 in，经CFD 分析，泵厂认为这样会引起出口处液体回流，造成压力脉动。要求业主整改成6 in 先变径到10 in，再由10 in 变径到12 in。

（3）该泵的隔舌数量为2，叶轮叶片数为4，没有互为质数，要求泵厂改用5 叶片叶轮。认为叶频振动主要是隔舌处的压力脉动引起的，5 叶片叶轮与隔舌数量互为质数，理论上可以有效降低隔舌处的压力脉动幅值[10-12]。

方案1、2、3 同步进行。为了配合改造，将有效汽蚀余量NPSHa提高到了7.7 m。方案1、2 实施后，振动没有改善；方案3 实施后，在全流量范围内，各测点的振动值均小于2.5 mm/s，整改成功。这表明压力脉动激发的高频振动很难通过改变管路和底座固有频率的方法解决，采取措施降低流体激振源（压力脉动）更有效。

振动问题发生在3 月份，整改结束已是12 月，延误了工期。该泵的吸入比转速为12 070（美制），相当于14 025（m3/h， m），远超吸入比转速限值。如果严格执行吸入比转速限值要求，加大对供应商报价技术资料的评审，也许会避免问题的发生。

5 结论和建议

5.1 结论

（1）用户对泵汽蚀要求过高时，会给泵设计者带来困难，轻者泵的效率下降，重者造成泵入口处回流加剧，振动超标。

（2）为了避免发生小流量下泵的振动超标，严格执行离心泵吸入比转速限值非常必要。

（3）对于泵厂吸入比转速超过12 780（m3/h，m）的报价，不刚性否决。如果泵厂确实有经验，可提供以下材料，提交业主和工程公司审查。

a）改善泵吸入性能的方式。

b）隔舌与叶轮间的间隙设计。

c）叶轮叶片数设计。

d）类似工况的业绩。

e）CFD 模拟水力性能情况。

（4）对于审查通过的高吸入比转速泵，应严格进行全流量性能试验，在性能试验过程中，从最小流量到最大流量整个区间进行5 ～ 1 000 Hz 范围的振动测量和快速傅里叶变换（FFT）测量。（注：至少应测量5 个点的参数，这5个点应包括最小流量点、最大流量点以及额定流量点。快速傅里叶变换频谱应包括从5 Hz 到2Z倍运行转速的频率范围，这里Z为叶轮叶片数。）