API610第12版标准泵性能的解读

api610第12版中文版_API610标准泵性能的解读

前言

    由于API标准所涉及的内容基本来自于良好的工程验证和操作实践，执行该标准的产品具有运行可靠性高、寿命长、可操作性强和安装维护方便等突出优点，因此，目前已被广泛应用于国内外重要工况、关键场合的设备中。

    性能体现的不仅仅是流量和扬程，而且还直接影响到泵在现场运行的可靠性、可操作性及使用寿命。本文将结合工程实践经验，对ANSI/API610第11版标准中关于离心泵性能方面的条款进行专门的解读，希望能对石化泵行业有所借鉴。

    注：本文中所涉及的条款、表及图号均指API610第11版标准所对应的条款、表及图号。

设计方面的规定及解读

    条款6.1.5   在额定条件下，应能通过更换一个更大直径的或不同水力设计的、具有变速能力的或采用一个空级的叶轮后，泵的扬程至少应提高5%。

    此要求旨在防止因购买泵后水力要求的改进而导致选型的变化，不是为了适应未来生产能力的扩充。

解读

    API 610标准不接受最大叶轮直径的泵，除非泵已预留了(能使扬程提高5%的)一个空级叶轮或增速余量范围，亦或得到买方的认可。该要求不是用于将来系统或设备的扩能，而是防止在合同签订后，因水力改进而导致选型发生变化(引起性能不足)。

    条款6.1.8   ……在确定装置汽蚀余量时，买方和卖方应当弄清楚最小连续稳定流量与泵的吸入比转速之间的关系，一般来说，泵的最小连续稳定流量随着吸入比转速的增加而增加……，选择吸入比转速的大小及NPSH安全裕量时，应当考虑现有的工业水平和制造厂经验。

解读

    吸入比转速是衡量一台离心泵吸入性能的一个指标，也是对内部回流敏感程度的一个评估尺度。标准附录A对吸入比转速的定义为：吸入比转速S，是在最大叶轮直径和给定转速下、以最佳效率点的流量来计算的，是一个与离心泵吸入性能相关的参数。

    根据汽蚀基本原理，吸入比转速越大，泵的抗汽蚀能力越好，即NPSH3越小。但是，并非吸入比转速越大越好，一方面现有的技术水平决定了NPSH3不可能无限制的减小；另一方面吸入比转速的大小与泵的运行可靠性(振动)密切相关。

    关于吸入比转速对离心泵运行可靠性的影响，国际同行具有非常丰富的工程应用经验，并给出了吸入比转速的最大限定值。其中，UOP 5-11-7规范中规定的吸入比转速的限定值在全球得到了广泛的认可和应用，其规定如下：

    泵的吸入比转速不得高于13000(m3/h, rpm, m)；当泵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75 kW时，吸入比转速不得高于11000 (m3/h, rpm, m)。

    之所以对吸入比转速给出限定值，是因为每台泵都有一个流量运行范围，在该运行范围之内，可接受的振动特性与吸入比转速密切相关。对于高吸入比转速的泵，当其在最高效率点附近运行时，叶轮入口处介质的流动较为稳定和均匀；而当流量不足或泵偏离最高效率点运行时，将会在叶轮的吸入口和吐出口产生内部回流、增加能量损失，导致泵的振动明显增大。也就是说，吸入比转速越大，导致出现内部回流的流量也越大，即泵的最小连续稳定流量也越大。

    虽然随着科技的进步，出现了一些其它可改善离心泵吸入性能的设计手段，吸入比转速的限定值也随之相应提高。但在作者研究了国际同行数千台离心泵实际工程应用的基础上，总结出BB2型泵吸入比转速的限定值基本控制在14400(m3/h, rpm, m)以内。

     条款6.1.11 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

    该条款在并联运行的泵中已得到广泛应用，要求从额定流量点到关死点流量-扬程曲线呈连续上升状，不允许出现驼峰。如果扬程曲线有驼峰，在同一扬程下对应有两个不同流量点，一方面易引起误操作(或误报)；另一方面因驼峰的存在、而出现一个不稳定的运行区间，当泵在该区间内运行时，振动和噪音会显著增加。

    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测。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%。

    在实际工程应用中，低比转速离心泵流量-扬程曲线极易出现驼峰，为此，对于已发货的实型泵应避免在不稳定运行区间(即偏小流量工况)内运行；对于新开发的产品，在设计过程中应采取适当的措施避免流量-扬程曲线出现驼峰。而对于高转速泵，如火电厂高压锅炉给水泵及核电站主给水泵，通常均配有前置(增压)泵。为此，应合理分配锅炉给水泵/主给水泵和前置泵的扬程、以提高泵的比转速，从而避免性能曲线出现驼峰。

    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。

    正如条款6.1.8解读中所说的“每台泵都有一个流量运行范围”，一旦偏离该流量范围，泵的振动将会显著增加。对此，条款6.9.3.1中给出了明确说明：离心泵的振动随着流量而变化，通常在最佳效率点流量附近振动最小，然后随着流量的增加或减少振动增加……

    标准之所以要求泵制造商给出一个优先选用的工作区，其主要目的是确保泵(在用户现场)尽可能处于最佳运行工况和最佳运行状态。

    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。在实际工程应用中，其实这种现象普遍存在于所有离心泵，国外将这种现象称为“叶片流道综合症”。当液体流经该小通道时，液体的流速增加引起液体压力的下降、局部汽化，产生汽泡，然后在较高的压力下破裂，导致汽蚀、引起泵的振动。

    相信从事石化泵的同行们很多人都有过这样的经历：当某一系列泵用到最大叶轮(叶片)直径时，在运行过程中发生振动超标的概率将明显增加，就是因为叶轮叶片与蜗壳/导叶之间的间隙太小所致。

试验方面的规定及解读

条款8.3.3.1  除非另有规定，每台泵都要做性能试验。

条款8.3.3.2  在进行性能试验之前，当泵在试验台上运转时应当达到下列的a)至i)的要求。

a)   在做性能试验时泵内应使用合同规定的密封和轴承。

b)   如果经买方批准，为了防止损坏合同规定的密封或者合同规定的密封与试验液体不相容，则在性能试验过程中可以使用代用密封。

c)   在泵进行性能试验的任何阶段，密封不应当有超出ISO 21049：2004，A.1.3的规定或买方与卖方协商的另外的泄漏率……

i)   除非另有商定，性能试验液体应当为温度低于55℃的水。

解读

    标准要求每台泵都必须要进行性能试验。性能试验时，必须使用合同规定的密封和轴承；除非另有商定，否则密封泄漏率应不超出ISO 21049：2004标准A.1.3的规定；性能试验所使用的液体应为低于55℃的清水。

条款6.9.3.2  在性能试验过程中，除了关死点之外的每个试验点上进行5Hz至1000Hz范围的全振动测量和快速傅里叶变换(FFT)测量，还应在下列位置进行振动测量……

    ●条款6.9.3.3  快速傅里叶变换频谱应包括从5Hz到2Z倍运行转速的频率范围(这里Z为叶轮叶片数。在装有不同叶轮的多级泵中，Z是任何一级中叶轮叶片的最高数)……

解读

    此处快速傅里叶变换(FFT)测量是指进行频谱测量和分析，以判断引起振动的原因。实际工程应用中，通常仅在振动超标时才测量频谱。

    ●条款8.3.3.3  除非另有规定，性能试验应按如下a)至e)的规定进行。

    a)  卖方应测取至少5个点的试验数据，包括扬程、流量、功率及振动。正常情况下这5个点应当是……

    c)  除非双方另有商定，试验转速应是泵数据表中(参见附录N中实例)所列额定转速的3%以内。试验结果应修正到额定转速的性能……

    ●条款8.3.3.5  在性能试验期间，应能达到下列a)至d)的要求。

    a)  在试验过程中，除关死点外对每个测试点应当按照6.9.3.2的规定记录振动值。振动值不应当超出6.9.3.6中的给定值……

    c)  泵应在6.10.2.4规定的轴承温度限定值内运行，不应显示出不良运转的迹象，例如汽蚀引起的噪声……

    ●条款8.3.4.2.1  如果有规定，泵应在试验台上运转直至达到油温稳定(6.10.2.4)。

    ●条款8.3.4.2.2  如果有规定，泵应当在额定流量下进行机械运转4个小时。

解读

    以上条款前带黑圆点(●)的虽然不属于强制性条款，但在实际工程应用中基本按强制性条款执行。

1)  性能试验取点数不少于5个点，并详细规定了取点要求；

2)  测量的内容包括流量、扬程、功率及振动；

3)  试验转速不得低于泵额定转速的3%；试验结果应修正到额定转速的性能。

4)  试验期间，轴承温度及轴承润滑油温度不得超过标准规定的限值；

5)  如果有规定，机械运转试验(@额定流量下)持续时间通常为4小时。

资料提供要求及解读

    条款10.2.4  卖方应该提供完整的性能曲线，包括流量-扬程、流量-效率、流量-NPSH3(水试时)和流量-功率曲线。除低比转速泵(无法达到)以外，这些曲线至少应延伸到最佳效率点流量的120%处，并且应注明额定工况点。应当包括最大和最小叶轮直径的扬程曲线。曲线上应当示出叶轮代号、比转速和汽蚀比转速。如果适用，曲线上应当示出粘度修正曲线。应当标出最小流量(最小连续热控流量和最小连续稳定流量)、优先工作区和允许工作区以及任何使用限制。

解读

    该条款专门针对提供给用户的性能曲线所必须包含的内容和要求，具体包括：

    1)  流量-扬程、流量-效率、流量-NPSH3和流量-轴功率4条基本曲线；

    2)  如果可能的话，曲线至少延伸到最佳效率流量点的120%处，并在曲线上注明额定工况点位置；

    3)  最大和最小叶轮直径下的流量-扬程曲线；

    4)  叶轮代号、比转速和汽蚀比转速(实际工程应用中，如有要求，比转速和汽蚀比转速值通常会填写在数据表中)；

    5)  如果泵送的是粘度介质，应给出粘度修正曲线；

    6)  最小流量、优先工作区和允许工作区。

    实际工程应用中，通常仅提供最小连续稳定流量值，而不提供最小连续热控流量值。

总结

    API 610标准不接受最大叶轮直径的泵，除非泵已预留了能使扬程提高5%的具体措施或得到买方的认可。

    流量-扬程曲线不允许出现驼峰。且对于并联运行的泵，从额定点到关死点，扬程上升量应不低于10%。

    泵制造商应提供完整的性能曲线。除提供4条基本曲线以外，还应给出最大、最小及额定叶轮直径下的流量扬程曲线；标明额定工况点；标出泵的优先工作区和允许工作区等。

    对于高能泵，最大叶轮叶尖与导叶或蜗壳之间必须具有足够的径向间隙，以避免产生叶片流道综合症。

    API标准要求每台泵都要进行性能试验，且性能试验取点数不少于5点。同时，试验转速不得低于额定转速的3%。试验结果应修正到额定转速的性能。

    如果有规定，机械运转试验(@额定工况点)持续时间不得少于4小时。

文章来源：化工设备与机械