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泵制造标准API610第11版解读

文章出处:江苏冠裕 人气:337发表时间:2019-06-17 09:53:14

  为帮助中国泵行业能更好地理解、设计开发和生产API泵,进而打造出具有国际级品牌的产品。本文为例对API610标准进行解读。

  1   API610第11版修订背景

  API标准通常每五年更新一次。API610第九版于2003年1月发布(仅作为过渡版,短期使用),作为其修订版的第十版发布于2004年10月。API/ISO工作组从2006年开始致力于第11版的更新。工作组以得到验证的工程和操作实践为基础,就旋转设备的最新发展状况,包括可靠性议题、工业议题及被建议修改的方面进行分析,并且与水力学会(HI)、国际电工委员会(IEC)、国家电气制造商协会(NEMA)及美国材料试验学会(ASTM)等相关工业协会通力合作,以保证第11版为上述协会的最新技术水平。事实证明,第11版在发布两年左右已被国际上广泛使用。

  下面将从安全可靠性、寿命、可操作性、安装及维护这四个方面进行解读。对于工程实践中经常会使用到的重点内容的解读,将放在本文的第二部分。

  2   安全可靠性

  API610标准(即API泵)永远将安全可靠性放在第一位,甚至不惜以牺牲一部分泵的效率为代价,如采用刚性轴设计、为了保证任何工况下动/静部件均不易发生咬合,加大口环间隙等等。涉及到安全可靠性的条款非常多,现摘录如下。

  2.1 条款6.1.11[2]对于所有应用条件,泵最好具有稳定的流量-扬程曲线(即扬程曲线呈连续上升状直到关死点为止)。如果买方规定是并联运行,则必须具有这种稳定的流量-扬程曲线。如果规定并联运行,则曲线上的扬程上升量至少应当是额定流量点扬程的10 %。

  【解读】如果扬程曲线有驼峰,在同一扬程将对应有两个不同流量点,易引起误操作(或误报)。如果扬程上升量太小,即泵出口压力变化太小,将不便于用户现场的调节和监控。但扬程上升量也不宜太大(特别是多级泵),否则影响下游管路的设计压力等级,增加投资成本。在工程实践中,至关死点,扬程上升量通常规定为10~20%;但对于高压多级泵,至关死点,扬程上升量通常会放宽到10~25%。

  2.2 条款6.1.12应当给泵一个优先选用的工作区,此工作区位于所提供叶轮的最佳效率点流量的70~120%区间内。额定流量点应位于所提供叶轮最佳效率点流量的80~110%区间内。

  【解读】最优的选择是泵的额定流量点位于最佳效率点的右侧、而正常运行点位于最佳效率点的左侧,但在实际应用中很难出现这种非常满意的选择。不过,作为一个指导性原则,应尽量使泵的运行工况处于或靠近上述区间。

  2.3 条款6.1.15单级扬程超过200m和单级功率超过225kW的泵需要特殊措施来减小叶轮叶片通过频率振动和小流量时的低频振动。对于这些泵,导叶与叶轮叶片外圆周之间的径向间隙至少为最大叶轮叶尖半径的3%(对于导叶式泵)和最大叶轮叶片尖半径的6%(对于蜗壳式泵)。

  【解读】此类泵称为高能泵。如果出现振动超标,上述间隙因素有可能是引起的原因之一。

  2.4 条款6.3.3压力泵壳应设计成:

  a) 在同时承受最大允许工作压力(及最高工作温度)和表5中列出的作用到每个管口上两倍允许管口负荷的最坏组合情况下,做到运转无泄漏或旋转部件与静止部件之间无接触。

  b) 经得住水压试验。

  【解读】在实际应用中,对于一些特殊场合或重要工况用泵,有些用户要求泵能够满足表5中列出的作用到每个管口上2.5~4.0倍的允许管口负荷,此时泵壳、泵脚及底座均需进行重载设计,这无疑将会大大增加单台泵的制造成本。遇此情况时,应与用户进行充分的沟通,最终达成双方可接受的方案。

  2.5 条款6.3.7压力泵壳的设计中应考虑另加腐蚀余量以满足条款6.1.1中寿命要求。除非另有规定,最小腐蚀余量应当为3mm。

  【解读】在实际应用中,对于2、3类流程泵或压力不高的化工用泵,为了降低成本,国内很多用户很少严格执行该条款。

  2.6 条款6.3.10径向剖分泵壳应当采取金属对金属的接触配合,中间夹有受约束的可控制压缩量的受压垫,例如O形圈或金属缠绕垫。

  【解读】在工程实践中,径向剖分泵壳普遍采用金属缠绕垫进行密封,基本不用O形圈。

  2.7 条款6.4.3.5在泵壳做静水压试验之前应当完成所有(与泵壳连接的)接头的焊接工作。

  【解读】包含两层含义:1)壳体上的接管(如排液、排气及密封冲洗等)要求采用焊接方式连接;2)在进行静水压试验之前,所有接管的焊接工作均已完成。同时,焊缝处还应进行无损检测,以确保在运行过程中不会发生泄漏。

  2.8 条款6.6.3叶轮应该用键固定在轴上......悬臂叶轮应当使用不会暴露轴上螺纹的帽形螺钉或帽形螺母来固定到轴上。在正常旋转时,上述紧固装置应当利用液体对叶轮的阻力作用使螺纹趋于拧紧,并且需要一个可靠的机械锁紧办法(如销钉、耐腐蚀材料制成的紧定螺钉或舌形垫圈)。

  【解读】通常采用帽形螺母将叶轮固定到轴上,然后再用内六角螺钉将帽形螺母紧固到轴上。注意:当泵送介质在常温下易凝固时,宜采用六角头螺钉来紧固帽形螺母,否则不便于拆卸。

  2.9 条款6.7.1应使用径向间隙来限制内部泄漏,必要时可平衡轴向推力。不应当使用叶轮辅助叶片或紧密的轴向间隙来平衡轴向推力。泵壳内部应当装有可更换的耐磨环,叶轮应当有整体的耐磨表面或可更换的耐磨环。

  【解读】不允许采用背叶片或通过具有紧密轴向间隙的耐磨环来平衡轴向力;叶轮可以不配带耐磨环,但必须有整体的耐磨表面,且耐磨表面的硬度应高于壳体耐磨环的硬度。

  2.10 条款6.9.1.3 为得到良好的密封效果,在最严重的动态条件下,在泵的允许工作范围内(最大叶轮直径和在规定转速、规定的介质条件下),在主要的密封面处,轴的刚度应当限定轴的总挠度小于50μm。

  【解读】即在最大径向力的作用下,保证轴封处的最大挠度不超过50μm。为此,可通过提高轴的刚度来达到上述要求。对于蜗壳泵,当泵的出口通径不小于80mm时,可通过采用双蜗壳结构来平衡径向力。控制轴的总挠度还有利于提高机械密封和轴承的使用寿命。

  2.11 条款9.2.2.1 (两端支承式)多级泵的叶轮应当独立地在轴上定位,在正常的液力推力方向用一个轴肩或静止的分半环来固定。

  【解读】在工程实践中,对于较大型的多级泵,叶轮通常采用分半环来逐级定位,以防止其在运行中发生轴向串动。

  3   寿命

  API610标准不仅对泵组整体寿命提出了要求,而且对主要易损件(包括密封和轴承)的寿命也给出了最低限度的要求。

  3.1 条款6.1.1 本国际标准中所涉及的设备(包括辅助设备)应当设计和制造成使用寿命至少为20年(不包括表20中所示的正常易损件),连续运转寿命至少为3年。执行厂方指定的维护或检查的开关设备不符合连续不间断运行的要求。已经公认这些要求是设计的准则,但在使用中或超负荷运行中,误操作或不正常维护会使设备不能达到这些准则的要求。

  【解读】包括三层含义:1)关停设备(包括间歇运行设备,如炼油厂延迟焦化装置中的水力除焦泵)不符合连续不间断运行的要求;2)易损件的使用寿命也至少为3年;3)只有在规定的使用条件和运行工况下、且不存在误操作或不正常维护时才能保证上述规定的使用寿命。

  3.2 条款6.10.1.6 轴承系统的寿命(泵轴承组合系统的计算寿命)在额定工况下连续运行至少为25000小时;在最大径向与轴向负荷及额定转速下至少16000小时。

  【解读】标准中给出了轴承系统寿命的计算公式,从公式显示的结果来看,系统寿命短于系统中寿命最短的轴承寿命。例如:如果每个轴承的寿命是37,500小时,按照公式计算,轴承系统的寿命只有25,000小时。也就是说,要满足25,000小时的轴承系统寿命,则至少每个轴承的寿命均达到37,500小时以上。

  4   可操作性

  API610标准之所以能成为国际通行标准,除了安全可靠性高、设备寿命长之外,还因为其可操作性强,很多设计均给出了具体的量化指标。

  4.1 条款6.3.9 除非另有规定,如规定的工况属于下列任何一种情况,必须采用径向剖分壳体泵:

  A. 泵送温度超过200℃(如果泵可能受到热冲击,则应考虑更低的温度极限)。

  B. 在规定的泵送温度下,介质的相对密度小于0.7。

  C. 泵的额定出口压力超过10MPa·G。

  【解读】在工程实践中,"泵的额定出口压力超过10 MPa·G"仅作为采用径向剖分壳体泵的一种选择原则,某些野外工况用泵(如输油管线上的BB3型泵),已突破该原则。

  4.2 条款6.7.2 由可硬化材料制造的摩擦副耐磨表面应当具有一个至少50的布氏硬度差,除非静止的和旋转的耐磨表面都具有至少是400的布氏硬度。

  【解读】对于硬度差的规定,在工程实践中,用户和工程公司通常要求叶轮耐磨环(或叶轮口环处)的硬度高于壳体耐磨环的硬度,以便于用户现场维护。

  4.3 条款6.7.4 耐磨环的运转间隙应达到下述要求:

  在确定耐磨环和其它转动部件之间的运转间隙时,应考虑抽送温度......材料的咬合特性以及泵的效率。间隙应足够大,以保证在所有规定工况下可靠运转和避免咬合。

  对于......具有类似低咬合趋势的材料,应采用表6中所列的最小间隙。对于咬合趋势较大的材料和工作温度大于260℃的各种材料,应当在上述直径间隙上再加125μm。

  【解读】对于API泵,通常采用加大运转间隙来避免咬合。在工程实践中应特别注意:对于高温工况,叶轮耐磨环应选择与叶轮本体热膨胀系数相同或相近的材料,以避免热膨胀不同导致叶轮耐磨环与叶轮之间产生间隙、松动,进而引起泵的振动和噪音超标。

  4.4 条款6.10.1.4 滚珠推力轴承应当是成对的单列轴承,40°角接触型(7000系列)带有机械加工的黄铜保持架。

  【解读】滚珠推力轴承不允许采用非金属保持架;如果买方同意,可以使用承压钢制保持架。注意:并不是所有主要轴承供应商(如SKF、NSK)对所有型号的轴承都能提供黄铜保持架。

  4.5 表10关于轴承的选择:如果能量强度(即泵额定功率kW和额定转速r/min的乘积)为4百万或更大,则必须使用液体动压径向轴承和推力轴承。

  【解读】这仅作为液体动压轴承的一种选择原则,随着技术的进步,一些特殊工况用泵已突破该原则。

  4.6 条款6.10.2.4 应该(对轴承箱)提供充分的冷却,包括结垢余量,在规定的运转条件下和环境温度为43℃时应保持油和轴承温度为:

  对于压力油润滑系统,轴承润滑油出油温度应低于70℃,轴承金属温度应小于93℃。在工厂试验时,在最不利的工况下,轴承的润滑油温升不应超过28K。

  对于油环润滑或飞溅润滑,油池温度应低于82℃。在工厂试验时,油池润滑油温升不应超过40K,轴承金属温度不应超过93℃。

  【解读】如果轴承箱采用水冷夹套冷却的话,水冷套应设计成冷却油池而不是冷却轴承外环的型式(轴承外环受冷收缩会引起轴承内部间隙减少、导致轴承故障)。

  4.7 条款7.1.4 电机铭牌的额定功率,不包括服务系数(如有),至少应当等于表12中所列的在泵额定条件下功率的百分数......可接受的电动机的最小额定功率是4kW。

  【解读】对于轴功率较小的API泵,将不执行表12中的规定,其配用的电动机最小为4kW。

  4.8 条款7.3.1:应当为卧式泵提供一体化的集液盘或集液盆式底座。买方应按下列内容规定集液盘或集液盆型式:

  1)集液盘环绕整个底座边缘;

  2)集液盆环绕整个底座边缘;

  3)局部集液盆覆盖整个底座宽度。

  底座的集液盘或集液盆应当至少以1:120 的斜度向泵端倾斜,排液孔通径至少应是DN50(2NPS)并应设置得能将集液全部排尽。

  【解读】在实际应用中,不少国外同行(如EBARA)并不完全执行此条款,其在底座外边缘焊接约3/4圈集液槽,且底座面板无倾斜(而驱动机侧通常不设置面板和集液槽)。

  4.9 条款7.3.2:底座应延伸到泵和驱动机组合件之下,使得任何泄漏液都收集在底座范围内。为了尽可能减少偶然损伤组合件,所有管路接头和管子法兰面,包括泵的吸入口和吐出口法兰都应处在集液盘或集液盆的收集范围之内。提供设备的所有其它接头应落入底座的最大周边之内。当有买方批准时,超尺寸的接线盒也可以伸到底座周边之外。

  【解读】API泵(组)均采用公用底座;除了接线盒以外,泵及其驱动设备均应落在底座范围之内,且所有可能存在的泄漏点(如管路接头、泵进出口法兰等)均应处于集液盘或集液盆的收集范围之内。

  5   安装及维护

  由于API610标准所涉及的内容几乎均来自于良好的工程实践,因此,该标准要求泵的设计过程中最大限度地考虑给现场的安装及维护带来方便。

  5.1 条款6.1.24 所有设备均应设计成可以进行快速和经济的维护工作的型式。主要零件如泵壳零部件和轴承箱应当设计和制造成可保证在重新装配时能够精确找正的型式。找正工作可以通过使用台肩、定位销和键来完成。

  【解读】对于小型泵,通常通过定位销来找正;对于转子静挠度较大的泵型,需要借助千分表(抬轴)+定位销的方式来找正。

  5.2 条款6.1.25 除了立式悬吊式泵、BB4型泵和整体齿轮箱驱动泵外,泵应当设计成无需拆卸吸入管或吐出管或挪动驱动机,即可拆除转子或内部零件的形式。

  【解读】对于悬臂式泵,普遍采用带加长段的联轴器来满足上述要求。

  5.3 条款6.3.13 为了便于壳体的拆卸,应当装设顶丝。两个接触面中的一个应当加工出凹陷部位(平底圆孔或凹槽),以防由于损伤密封面而造成密封面泄漏或者密封面间的配合不吻合。

  【解读】在实际应用中,为了防止顶丝的头部在顶起壳体的过程中损伤密封面,导致密封面泄漏或者密封面间的配合不吻合,在与顶丝头部接触的零部件表面上加工出平底圆孔或环形凹槽。

  5.4 条款6.10.2.2 轴承箱应布置成无需移动泵的驱动机或安装支架就可更换轴承的形式。

  【解读】通常采用带加长段的联轴器来满足上述要求,见条款7.2.2

  5.5 条款7.2.2 除非另有规定,应提供......带加长段的联轴器。此外,联轴器还应符合下列条件:在不拆卸驱动机和进、出管路的情况下,能够方便地拆下联轴器、轴承和密封。

  5.6 条款7.2.13 每个联轴器应具有一个不用拆除连接零件的联轴器护罩。

  【解读】在工程实践中,通常采用开启式联轴器护罩,以方便维护和检修。

  5.7 条款7.3.17 重量超过225kg的驱动机组件,应该装设横向和轴向找正定位用顶丝,以便于做横向水平和纵向调整。

  【解读】驱动机组件包括所有驱动设备,如电动机、齿轮箱、液力透平、蒸汽透平等,由于API泵组以泵为基准进行对中,因此,未明确要求重量超过225kg的泵脚周边装设横向和轴向找正定位用顶丝,但为了便于安装,建议较大型泵也应装设找正定位用顶丝。

  5.8 条款7.3.18 在底座的外周上应设有垂直的调水平螺钉。调水平螺钉应设在靠近地脚螺栓处,以最大限度地减少安装过程中底座的变形。

  【解读】工程实践中,对于大型机组,有些泵制造商或用户希望采用成对使用的斜垫铁来调水平;调水平结束后,再采用点焊的方式将斜垫铁定位。

  6   结论

  API610标准的精华在于高可靠性、长寿命、可操作性强、安装维护方便,与其它泵类标准相比较其最大的优点是提高了设备的MTBR(平均修理间隔时间),当然也就大大地降低了运行和维护成本。

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