魯爾ZLM IP 530/06泵導流器優化改進及應用

張明 黎鍵 姜晗 邱淑娟 周衛東 趙吉龍

1國家管網集團西部管道有限責任公司

2中國石油天然氣管道工程有限公司

f g 原油管網是國家西部陸上能源戰略通道的重要組成部分，承接俄羅斯過境哈薩克斯坦、哈薩克斯坦輸往中國的原油，以及輸送北疆、塔里木、吐哈等國內原油。沿線輸油主泵主要采用德國進口魯爾ZLM IP 530/06泵[1]，ZLM IP 530/06泵在葉輪出口與蝸殼間設置導流器，輸送介質經葉輪加速后進入導流器被誘導至泵殼，在泵殼處將速度能轉化為壓力能，實現介質輸送；導流器作為蝸殼延伸部分，能優化流場分布并消除水力產生的徑向力，通過更換葉輪和導流器，就能改變流量滿足不同的工程輸量[2-3]。ZLM IP 530/06 大葉輪泵額定排量為2 800 m3/h，揚程240 m，轉速2 980 r/min[4]。作為輸油系統關鍵設備，西部原油管網自投產以來先后10 余臺ZLM IP 530/06 大葉輪泵導流器焊縫開裂、葉片斷裂，典型失效圖片見圖1。導流器失效后，輸油泵運行時產生異響、振動變大，無法平穩運行。研究分析表明，導流器本體材質抗疲勞開裂性差及葉片焊接結構不合理是重要影響因素[5]；因此，優化改進導流器，解決焊縫失效葉片斷裂，提升關鍵部件使用壽命和可靠性具有重要的現實意義[6-9]。

圖1 導流器失效圖片Fig.1 Deflector failure diagram

1 優化改進方法

1.1 導流器材質選型

ZLM IP 530/06 泵導流器原廠材質為熱軋結構鋼德標EN10025，對應國標為Q345D[10]。優化改進導流器選用022Cr22Ni5Mo3N 雙相不銹鋼（德標EN10088-2），該材料具有高強度、良好的沖擊韌性和焊接性、優良的耐疲勞性能，廣泛應用于石油、化工等領域[10]。兩種材料力學性能對比數據見表1。

表1 EN 10025和EN10088-2力學性能對比Tab.1 Comparison of mechanical properties between EN 10025 and EN10088-2

1.2 導流器焊接結構改進

原導流器焊縫失效的重要原因之一是強度不足。為提高焊縫強度，將導流器葉片焊縫由工作面和背面部分單邊V型焊縫優化為工作面和背面兩側雙面全V型焊縫，葉片焊接方式由部分單邊焊優化為兩側全焊接，將葉片工作面有效焊縫長度由320 mm 延長到390 mm，背面有效焊縫從239 mm擴大到380 mm；同時葉片厚度由原5 mm 增至6 mm，焊角由3 mm增高至5 mm。優化改進前后導流器葉片焊接結構見圖2。

圖2 優化改進前后導流器葉片焊接結構Fig.2 Deflector welding structure before and after improvement

2 優化改進后導流器應力分析

2.1 建立有限元模型

在ANSYS 中利用布爾運算提取其流體域，再導入ANSYS-Fluent 中；結合魯爾泵結構和運行工況，高級尺寸函數選擇曲率控制函數（Curvature），其中關聯中心（Relevance Center）設為Fine，最大面尺寸（Max Face Size）設為1 mm，其他選項保持默認，建立有限元分析模型[11]。進行分析計算時，網格數太稀疏可能使計算結果誤差過大，網格數太密可能需要較長的計算時間。考慮到計算精度和計算時間，本次計算進行網格無關性驗證，使其分析模型隨著網格數量的增加而計算結果不再有明顯變化。導流器有限元模型見圖3a。通過高精度三坐標掃描儀對擴流器進行掃描，得到其空間曲線尺寸參數，再使用三維軟件（Solidworks）建立三維幾何模型，如圖3b所示。

圖3 導流器有限元模型和幾何模型Fig.3 Finite element model and geometric model of the deflector

2.2 應力強度對比

通過水力計算獲得導流器表面壓力，導流器內圓柱面采用圓柱約束，約束其軸向和切向。優化改進前后導流器的應力云圖對比見圖4。

由圖4可知，優化改進后的導流器與原導流器在流體流經內部時產生的最大應力基本相當。魯爾ZLM IP 530/06 泵原導流器內部產生的最大應力為16.08 MPa，優化改進后流體在導流器內部產生的最大應力為15.623 MPa，最大應力下降了2.8%，減小了0.457 MPa 應力；優化改進的導流器所選材質許用應力為160 MPa，比原導流器材質許用應力117.5 MPa 大了42.5 MPa，力學性能明顯優于原魯爾泵導流器。

圖4 優化改進前后應力云圖對比Fig.4 Comparison of stress cloud diagram before and after improvement

3 內部流場分析

利用三維建模軟件UG 10.0 和有限元分析軟件ANSYS19.0 R3 建立有限元模型，使用ANSYS 有限元軟件中的ICEM 與CFX 模塊開展流場數值模擬分析，得到導流器優化改進后的輸油泵水力性能曲線、泵殼內壓力及絕對速度分布[12-13]。

3.1 有限元模型和網格劃分

應用ANSYS 軟件中的CFX 對泵組過流部件的流場進行計算分析，直觀地顯示流道內部流場的變化規律[14-16]。對由進口流道、吸入口流道、葉輪流道、導流器流道和出口流道五部分組成的過流部件進行三維造型，為保證模擬結果的準確性，進口段加長1 000 mm。模型網格劃分總數為297.5 萬，其中葉輪和出口流道網格進行加密處理。

3.2 邊界條件設置

根據該泵設計參數，以額定工況點流量Q=2 800 m3/h、揚程H=240 m、轉速n=2 980 r/min、介質清水密度ρ=997 kg/m3進行邊界條件設置。進口邊界條件為流量進口，Q=775 kg/s，出口邊界條件為壓力出口，其他為壁面邊界條件。其中葉輪旋轉速度為2 980 r/min，旋轉軸為Z軸，Analysis type（分析類型）設置為steady state（穩定態），monitor（顯示器）監測進、出口總壓與揚程。

3.3 模擬計算及結果

3.3.1 水力性能曲線

為進行比較，根據建立的有限元模型，其他條件不變，分別設置入口條件0.2Q=574 m3/h（接近關死點）、0.6Q=1 722 m3/h、0.8Q=2 296 m3/h、1.0Q=2 800 m3/h、1.2Q=3 445 m3/h，對不同流量點進行水力性能模擬[17～19]，并與輸油泵出廠時的性能曲線進行對比，結果如圖5所示。

由圖5 可知，導流器優化改進后泵的流量-揚程、流量-效率、流量-功率曲線與輸油泵出廠時的性能數據非常接近，幾乎無偏差。導流器優化改進后，ZLM IP 530/06 泵在額定流量2 800 m3/h 下，揚程為242 m，泵效達到88%，軸功率1 934 kW。數據表明，導流器優化改進后不影響輸油泵運行，水力性能完全達標。

圖5 優化改進前后水力性能曲線對比Fig.5 Comparison of hydraulic performance curves before and after improvement

3.3.2 泵腔靜壓分布

導流器優化改進后不同流量（0.2Q、0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q、1.4Q）工況下葉輪、導流器與蝸殼截面的靜壓分布如圖6所示。

由圖6 可知，在葉輪流道內葉片對流體做功，流體靜壓從葉輪進口到出口至擴流器逐漸增加，在蝸殼處進一步增大，具有明顯的壓力梯度，在葉片出口明顯可見由于葉片厚度而產生的尾跡，同一半徑處導流器工作面上的靜壓明顯高于背面的靜壓。額定流量及小流量下，導流器出口及蝸殼內的壓力分布比較均勻；超額定流量后，導流器出口及蝸殼內壓力分布相對有些不均勻，隔舌位置壓力變化較大。優化后的導流器在不同流量下，受到的最大靜壓為3.936 MPa。

圖6 不同流量下葉輪、導流器與蝸殼截面靜壓分布Fig.6 Static pressure distribution of impeller，deflector and volute section under different flow rates

3.3.3 速度分布

導流器優化改進后不同流量（0.2Q、0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q、1.4Q）工況下葉輪、導流器與蝸殼截面絕對速度分布如圖7所示。

由圖7可知，在不同流量點下，隨流量增加流體在葉輪內速度分布越來越均勻，在流道內趨于規則分布，且同一截面處流量越大，速度越大，分布越均勻，速度最大出現在葉輪出口處。流體在導流器流道內流動性均勻良好，速度沿進口到出口不斷減小，壓力能逐漸增大。不同流量點下，隨流量增加流體通過導流器后速度趨于更均勻分布，相同半徑處離導流器葉片越遠速度越大，在流道內呈現出明顯速度梯度。

圖7 不同流量下葉輪、導流器與蝸殼速度分布Fig.7 Speed distribution of impeller，deflector and volute section under different flow rates

4 工程應用實例

為檢驗導流器優化后實際應用效果，在西部原油管網阿獨線某輸油站應用了ZLM IP 530/06 大葉輪泵。平穩運行5 000 h 后，因受管輸資源限制泵的排量約為1 800 m3/h 左右。導流器優化后泵運行5 000 h關鍵數據見表2。

由表2可知，經過5 000 h運行，在泵的排量為1 800 m3/h 時，泵的揚程為270 m，與模擬出的水力性能曲線上的數據是相符的。按照GB/T 29531—2013《泵的振動測量與評價方法》標準，ZLM IP 530/06 泵為第三類泵，泵軸承箱最大振動不超過1.80 mm/s，泵振動烈度級為1.80。根據GB/T 29531—2013 中評價泵的振動級別標準，導流器優化后ZLM IP 530/06泵振動級別為第三類A，振動處于優狀態，滿足長周期穩定運行條件。當排量達到額定流量后，輸油泵的振動將進一步減小。驅動和非驅動端軸承溫度均在30℃附近，完全滿足GB/T 3215—2019 《石油、石化和天然氣工業用離心泵》中關于軸承溫度（對于油環潤滑或油霧潤滑系統，油池溫度應低于82 ℃）標準要求。

表2 導流器優化后泵運行5 000 h關鍵數據Tab.2 Key data of pump with 5 000 hours'running after optimization of deflector

5 結論

（1）ZLM IP 530/06 泵導流器優化改進后，葉片工作面和背面有效焊縫均變長，焊角變高，導流器葉片焊縫力學性能明顯得到改善，流體在導流器內產生的最大應力為15.623 MPa，下降了2.8%。

（2）導流器優化改進后泵的水力性能曲線與泵出廠時的性能曲線非常接近，偏差非常小，流量-揚程、流量-效率、流量-功率性能曲線均達標，水力性能完全滿足要求。

（3）導流器優化改進后不影響葉輪對流體做功，流體在流道內流動均勻良好，葉輪流道內壓力梯度明顯，導流器出口及蝸殼內流體壓力、速度分布均勻。

（4）優化改進導流器經工程實際應用，輸油泵各運行數據均滿足標準，軸承振動及溫度均滿足長周期穩定運行要求。