大功率長輸管道輸油泵的研制

安玉榮

摘 要：大功率（功率超過2000kW）長輸管道輸油泵，國產(chǎn)化研制一直是解決國內(nèi)管道輸油泵結(jié)構(gòu)老化，效率不高，泵控制監(jiān)測系統(tǒng)安全性低，依賴進(jìn)口等問題。通過對管道輸油泵總體結(jié)構(gòu)，水力設(shè)計方法，高速自潤滑軸承，監(jiān)測系統(tǒng)等方面的設(shè)計研究，研制成功了2500kW長輸管道輸油泵，經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，達(dá)到國際先進(jìn)水平，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：大功率；長輸；管道輸油泵；研制

1 大功率長輸管道輸油泵的開發(fā)背景

輸油管道建設(shè)直接影響到國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。《國家重大技術(shù)裝備研制和重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項規(guī)劃》及《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》等一系列國家政策的相繼出臺，均將石油天然氣開采與集輸?shù)拇蠊β书L輸管道輸油泵列為國家重大技術(shù)裝備發(fā)展重點。應(yīng)當(dāng)今市場發(fā)展變化的需要，我公司在充分吸收當(dāng)今國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，通過充分的市場調(diào)研和與管道輸送設(shè)計院合作開發(fā)新一代DK系列長輸管道輸油泵產(chǎn)品，更切實地滿足了目標(biāo)市場的實際應(yīng)用需要。

2 DK2870-240型大功率長輸管道輸油主泵性能參數(shù)

流量：Q=2870m3/h

揚程：H=240m

轉(zhuǎn)速：n=2980r/min

效率：η≥87.5%

汽蝕余量：NPSHr=23m

輸送介質(zhì)：原油

原油密度=829.4kg/m3（正常）

進(jìn)口壓力：最小0.5MPa，最大4.7MPa

3 設(shè)計方案及關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計說明

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，確定泵的結(jié)構(gòu)為BB1型單級雙吸軸向剖分式結(jié)構(gòu)。主要由泵體、泵蓋、葉輪、徑向?qū)~、泵軸和前、后軸承部件等組成。泵體和泵蓋通過螺栓連接，泵進(jìn)、出口均位于泵的軸心線以下泵體兩側(cè)，不需拆卸進(jìn)、出口管路及電動機(jī)便可檢修泵，維護(hù)方便。壓水室采用徑向?qū)~+單渦室結(jié)構(gòu)，最大程度地減小徑向力，保證泵長期平穩(wěn)運行。口環(huán)采用特殊設(shè)計，使殘余軸向力指向驅(qū)動端，使轉(zhuǎn)子受拉，保證轉(zhuǎn)子運行中的穩(wěn)定性。采用一副圓柱滾子軸承支撐轉(zhuǎn)子部件并承受徑向載荷，采用一對角接觸球軸承背靠背安裝承受殘余軸向載荷。承壓部件壁厚、中開面法蘭、泵體中心支承腳板等均采用加厚設(shè)計，保證泵在高壓下的強度和剛度。泵軸直徑加粗、軸承跨距縮短，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛性。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)分析及解決措施

3.2.1 水力性能

管線輸油泵性能在滿足基本參數(shù)外，其效率為關(guān)鍵指標(biāo)。樣機(jī)經(jīng)過性能測試，各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，效率高達(dá)88.2%。

3.2.2 關(guān)鍵零部件及材料

（1）泵體、泵蓋。作為承壓部件，考慮到最大進(jìn)口壓力和葉輪產(chǎn)生的最大壓差，泵體、泵蓋按工作壓力10MPa、水壓試驗壓力15Mpa設(shè)計，材料選用ZG30CrMo，設(shè)計計算壁厚49.9mm，實取65mm，并在渦室外壁布置加強筋，以及采用中心高降低，支腳加大等措施，保證其強度和剛度。泵體、泵蓋形成的單渦室收集從導(dǎo)葉流出的液體，并在其擴(kuò)散段中完成動能到壓能的第二次轉(zhuǎn)換。渦室斷面采用圓形斷面，受力情況良好，有利于承受高壓，并適于進(jìn)行無損檢查。

（2）導(dǎo)葉。從葉輪流出的高速液體，進(jìn)入徑向?qū)~進(jìn)行收集和動能到壓能的第一次轉(zhuǎn)換。采用徑向?qū)~可最大程度地減小徑向力，保證泵長期平穩(wěn)運行。徑向?qū)~采用11片葉片均布，軸向徑向尺寸小，葉片長度短，水力損失小。通過合理設(shè)計導(dǎo)葉進(jìn)口邊與葉輪出口邊之間的徑向間隙，有利于減小環(huán)流損失，提高泵的效率。

（3）葉輪。采用雙吸葉輪，并將葉片進(jìn)口邊向吸入口適當(dāng)延伸，降低了入口速度、提高汽蝕性能。經(jīng)過實際測試，汽蝕余量NPSHr比同類型進(jìn)口泵低3m左右。葉輪材料采用ZG1Cr13NiMo并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，強度高，使用壽命長。

（4）泵軸。泵軸材料采用高強度高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMoA，并將軸徑加粗、軸承跨距縮短，提高泵軸的強度和剛度，安全系數(shù)高。泵軸第一階干臨界轉(zhuǎn)速高達(dá)3972.4r/min。

（5）機(jī)械密封。由于管線油泵串聯(lián)安裝，泵密封腔壓力高，線速度高，并且密封的介質(zhì)是粘稠的原油，因此機(jī)械密封的設(shè)計選型非常關(guān)鍵。采用成熟的德國杰特拉集裝式機(jī)械密封，密封腔按API682標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，配置垂直型孔板，過濾顆粒雜質(zhì)，外接循環(huán)過濾懸液分離系統(tǒng)，并采用加厚型機(jī)封壓蓋設(shè)計。該機(jī)械密封密封可靠，拆裝方便，適用原油密封及高壓工況。目前廣泛在西部管道使用，效果理想。

（6）中開面密封。選用TC-1000金屬絲增強石棉板作為中開面密封墊片，其特點是：雙面石墨涂層，密封性能優(yōu)良；壓力范圍：最高達(dá)20MPa；溫度范圍：最高達(dá)540℃。

（7）軸承部件。轉(zhuǎn)子部件兩端由圓柱滾子軸承作徑向支撐，殘余軸向力采用一對背靠背安裝的角接觸球軸承承擔(dān)，軸承全部采用進(jìn)口SKF重載軸承。軸承采用甩油環(huán)提油潤滑，軸承體外周設(shè)有散熱片，保證充分地?zé)峤粨Q。軸承體上配置特制的油霧分離器，防止油霧進(jìn)入到大氣中。

（8）監(jiān)測控制系統(tǒng)及管路設(shè)計。泵配套包括測振、測溫和測密封泄漏量等輔助運行裝置，適應(yīng)自動化操作和全天候工作環(huán)境。泵軸承及泵殼設(shè)有一體化數(shù)子溫度變送器，當(dāng)泵軸承溫度超過75℃或泵殼溫度超過70℃時發(fā)出報警信號。增強型泵密封泄漏檢測裝置用來檢測泵軸機(jī)械密封泄漏。泵軸承箱設(shè)有振動變送器，如果機(jī)泵振動過大，超過給定信號時，振動模塊就會發(fā)出報警信號。

4 技術(shù)設(shè)計評價

可以認(rèn)為DK2870-240型管道輸油泵樣機(jī)其技術(shù)指標(biāo)可以達(dá)到國際先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)

[1]國內(nèi)外輸油泵的結(jié)構(gòu)特點和維護(hù)要點[J].油氣儲運，1997（9），16：15-19.

[2]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵設(shè)計手冊[Z].

[3]機(jī)械設(shè)計手冊[Z].