王福生

（中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，青島 266071）

石油化工用低壓消防水泵的選型設(shè)計(jì)分析

王福生

（中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，青島 266071）

消防系統(tǒng)中大多數(shù)消防用水都需要消防泵進(jìn)行加壓，以滿足滅火時(shí)對(duì)水壓和水量的要求，因此消防水泵的選型設(shè)計(jì)也就顯得尤其重要。與石油化工用流程泵不同，消防泵的選型設(shè)計(jì)有其特殊的要求，其執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也不同。通過對(duì)GB 6245—2006、NFPA 20—2013、UL 448—2007標(biāo)準(zhǔn)的分析，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，就石油化工用低壓離心消防水泵的水力性能、附件配置、部件選材、軸封、聯(lián)軸器等方面提出個(gè)人建議，為石油化工用低壓離心消防水泵的選型設(shè)計(jì)提供參考。

消防泵；水力性能；軸封；聯(lián)軸器

在石油化工裝置中，發(fā)生火災(zāi)的危害性巨大，因此減輕火災(zāi)損失的消防系統(tǒng)越來越受到關(guān)注與重視。消防系統(tǒng)中大多數(shù)消防用水都需要消防泵進(jìn)行加壓，以滿足滅火時(shí)對(duì)水壓和水量的要求，消防水泵的選型設(shè)計(jì)也就顯得尤其重要。

與石油化工用流程泵不同，消防泵的選型設(shè)計(jì)有其特殊的要求，其執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也不同。目前我國消防水泵標(biāo)準(zhǔn)為GB 6245—2006［1］，內(nèi)容涵蓋：車用消防泵、船用消防泵、工程用消防泵等，其內(nèi)容條款比較粗略，沒有給予明確具體規(guī)定。

國外消防泵的標(biāo)準(zhǔn)主要是NFPA 20—2013［2］，該標(biāo)準(zhǔn)由美國國家消防協(xié)會(huì)制訂，內(nèi)容涵蓋：消防水的供給、消防泵進(jìn)出口系統(tǒng)設(shè)置、消防泵及其輔助系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)及其控制、驗(yàn)收試驗(yàn)及操作等，其內(nèi)容條款相對(duì)細(xì)致明確。UL 448—2007［3］是由美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室制訂，其內(nèi)容涵蓋了離心消防水泵的結(jié)構(gòu)、性能、實(shí)驗(yàn)等詳細(xì)要求。

本人通過對(duì)GB 6245—2006、NFPA 20—2013、UL 448—2007標(biāo)準(zhǔn)的分析，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，就石油化工用低壓離心消防水泵的水力性能、附件配置、部件選材、軸封、聯(lián)軸器等方面提出個(gè)人建議，為石油化工用低壓離心消防水泵的選型設(shè)計(jì)提供參考。

1 低壓離心消防水泵的水力性能

消防泵通常處于停泵狀態(tài)，在緊急情況時(shí)聯(lián)鎖啟泵，消防系統(tǒng)用水量可能會(huì)劇增，此時(shí)消防泵必須保證水壓不能下降太多，以免影響滅火效果。在用水量減少時(shí)，壓力又不能太高，否則必須使用耐壓更高的管道及附件，從而增加投資。由于用水量波動(dòng)范圍大，這就要求消防泵具有較寬的操作范圍和平坦的揚(yáng)程—流量性能曲線。

對(duì)于消防泵的性能要求，GB 6245—2006 6.4.2條：工況2：在吸深1 m時(shí)，流量為1.5 Qn，工作壓力不應(yīng)小于0.65 Pn；最大工作壓力不超過1.4 Pn。NFPA 20—2013 6.2條：消防泵應(yīng)不小于額定流量的150%，額定流量的150%時(shí)揚(yáng)程應(yīng)不低于額定揚(yáng)程的65%；關(guān)閉點(diǎn)揚(yáng)程不應(yīng)超過額定揚(yáng)程的140%。API 610—2010［4］6.1.11對(duì)于所有運(yùn)行工況，泵最好具有穩(wěn)定的揚(yáng)程/流量曲線（連續(xù)上升至關(guān)死點(diǎn)）。如果要求并聯(lián)運(yùn)行，則必須具有這種穩(wěn)定的揚(yáng)程/流量曲線，且從額定點(diǎn)至關(guān)死點(diǎn)的揚(yáng)程上升量至少是額定揚(yáng)程的10%。

從圖1可以看出曲線（1）為NFPA 20—2013允許的最陡峭的性能曲線，曲線（2）為NFPA 20—2013允許的最平坦曲線?？紤]到消防水泵并聯(lián)操作時(shí)泵的平穩(wěn)運(yùn)行，建議消防泵關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程范圍為額定點(diǎn)揚(yáng)程的110%～140%。

由于消防水泵的性能要求與石油化工用流程泵不同，消防水泵的驅(qū)動(dòng)機(jī)功率的選取方式也不同。石油化工用流程泵驅(qū)動(dòng)機(jī)功率的選取是以額定點(diǎn)軸功率為基礎(chǔ)，而消防水泵驅(qū)動(dòng)機(jī)功率的選取是以曲線上最大軸功率為基礎(chǔ)。所以消防水泵所配驅(qū)動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)滿足所選泵流量揚(yáng)程曲線上任何一點(diǎn)運(yùn)行所需功率的要求。

圖1 消防泵性能曲線Fig.1 Performance curve of fire pump

2 低壓離心消防水泵的附件配置

2.1 耐磨環(huán)

GB 6245—2006和NFPA 20—2013沒有對(duì)耐磨環(huán)作明確要求。UL 448—2007 8.1條款：應(yīng)提供泵殼耐磨環(huán)，葉輪耐磨環(huán)則不需要提供。磨環(huán)環(huán)可以縮小泵體和葉輪之間的間隙，提高泵效率，一旦磨損可更換耐磨環(huán)，降低設(shè)備維修成本。但由于葉輪耐磨環(huán)隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，脫落時(shí)會(huì)引起機(jī)械故障，影響設(shè)備的可靠性。建議消防水泵應(yīng)提供耐磨蝕的泵殼耐磨環(huán)，葉輪耐磨環(huán)則不需要提供。

2.2 進(jìn)出口壓力表

GB 6245—2006 5.1條：泵進(jìn)出口法蘭上應(yīng)設(shè)取壓孔，應(yīng)有壓力表。NFPA 20—2013 4.10條：進(jìn)出口靠近泵處設(shè)置壓力表。建議在消防泵進(jìn)出口法蘭上設(shè)置壓力表，方便觀察進(jìn)出口壓力。

2.3 自動(dòng)排氣閥

GB 6245—2006沒有相關(guān)規(guī)定，NFPA 20—2013 6.3.3條：除中心線頂部排出和立式安裝自然放空的懸臂葉輪泵外，自動(dòng)控制的泵應(yīng)設(shè)置浮動(dòng)式泵殼自動(dòng)排氣閥。自動(dòng)排氣閥安裝在泵殼的頂端，依靠水的浮力關(guān)閉排氣閥。當(dāng)泵殼內(nèi)有氣體，由于密度的作用，會(huì)上升到閥腔內(nèi)，隨著閥內(nèi)氣體的增多，壓力上升，當(dāng)氣體壓力大于系統(tǒng)壓力時(shí)，氣體會(huì)使腔內(nèi)水面下降，排氣閥被打開，氣體排盡后，水位上升，關(guān)閉排氣閥。由于消防泵需要做到隨時(shí)待命，而不像普通的工藝泵那樣在啟動(dòng)之前可以手工排氣，所以安裝這個(gè)自動(dòng)排氣閥就非常有必要。

2.4 溢流閥

GB 6245—2006未對(duì)溢流閥做出規(guī)定。NFPA 20—2013 4.11條：每臺(tái)消防泵都應(yīng)設(shè)置自動(dòng)溢流閥，溢流閥的設(shè)定壓力應(yīng)小于以最小期望入口壓力折算的關(guān)閉點(diǎn)壓力。溢流閥應(yīng)設(shè)置在出口單向閥前，應(yīng)能保證足夠的水量來避免泵在沒有排出流量時(shí)過熱，其作用相當(dāng)于最小熱回流線。溢流閥不能設(shè)置在柴油機(jī)冷卻水取自泵出口的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)泵上。建議除從泵出口引冷卻水的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)泵外，都應(yīng)設(shè)置溢流閥。

3 低壓離心消防水泵的部件選材

GB 6245—2006 6.2條：泵殼應(yīng)采用鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁或鑄銅合金。軸應(yīng)采用至少為2Cr13的不銹鋼或相當(dāng)?shù)目垢g性材料；或者軸使用碳鋼材料，但在填料盒及泵體過流流道處須采用抗腐蝕性材料的軸套。葉輪、葉輪密封環(huán)、殼體密封環(huán)等零部件應(yīng)采用抗腐蝕性材料制成。NFPA 20—2013 3.3.9條：抗腐蝕性材料。石油化工用離心消防水泵殼體通常采用鑄鐵，葉輪、軸套、耐磨環(huán)采用青銅，軸采用青銅或2Cr13不銹鋼。

4 低壓離心消防水泵的軸封

GB 6245—2006、NFPA 20—2013對(duì)離心泵的軸封型式也沒有限定。UL 448—2007 11條：泵應(yīng)提供填料密封。離心泵的密封型式通常有機(jī)械密封和填料密封，機(jī)械密封長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)相對(duì)填料密封具有泄漏量小、使用壽命長(zhǎng)、摩擦功率小。但由于消防水泵通常處于停泵狀態(tài)，填料密封的泄漏量、使用壽命及摩擦損失并不明顯。關(guān)鍵是兩種密封失效方式不同，機(jī)械密封可瞬間失效，并可能引起抱軸現(xiàn)象，而填料密封失效形式是逐漸顯現(xiàn)的。消防泵在關(guān)死點(diǎn)或最大流量下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，泵的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離其最佳效率點(diǎn)，振動(dòng)較大，此時(shí)機(jī)械密封更容易損壞。因此在離心式消防泵上采用填料密封比機(jī)械密封更為可靠。建議離心消防水泵采用填料密封。

5 低壓離心消防水泵的聯(lián)軸器

GB 6245—2006 9.6條：聯(lián)軸器應(yīng)采用鑄鋼或不銹鋼材料，宜采用梅花形彈性聯(lián)軸器，彈性件宜采用聚氨酯橡膠材料。NFPA 20—2013 6.5.1條：應(yīng)采用彈性聯(lián)軸器，但沒有規(guī)定聯(lián)軸器的型式。石油化工流程泵的聯(lián)軸器一般都采用膜片聯(lián)軸器，膜片聯(lián)軸器靠膜片的彈性變形來補(bǔ)償兩軸的軸向、徑向和角位移，但扭轉(zhuǎn)彈性較低、緩沖減振性能差、對(duì)中要求高，主要用于載荷比較平穩(wěn)的高速傳動(dòng)。梅花形和柱銷聯(lián)軸器允許被聯(lián)接兩軸的軸向、徑向和角位移，通常用于軸向竄動(dòng)較大和起動(dòng)頻繁的電機(jī)驅(qū)動(dòng)消防泵。高彈性聯(lián)軸器和萬向節(jié)聯(lián)軸器除允許軸向、徑向和角位移外，減振降噪效果明顯，通常用于柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的消防泵。建議離心消防水泵采用梅花形或柱銷聯(lián)軸器（電機(jī)驅(qū)動(dòng)），或者是高彈性聯(lián)軸器或萬向節(jié)聯(lián)軸器（柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)）。

6 總結(jié)

通過對(duì)GB 6245—2006、NFPA 20—2013、UL 448—2007標(biāo)準(zhǔn)的分析，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出石油化工用離心消防水泵的以下建議：

（1）流量不小于額定流量的150%，為額定流量150%時(shí)揚(yáng)程應(yīng)不低于額定揚(yáng)程的65%；具有連續(xù)上升至關(guān)死點(diǎn)的揚(yáng)程/流量曲線，關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程范圍為額定點(diǎn)揚(yáng)程的110%～140%；所配驅(qū)動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)滿足所選泵流量揚(yáng)程曲線上任何一點(diǎn)運(yùn)行所需功率的要求。

（2）應(yīng)提供泵殼耐磨環(huán)，葉輪耐磨環(huán)則不需要提供；進(jìn)出口法蘭上設(shè)置壓力表；不能自排氣的泵應(yīng)設(shè)置自動(dòng)排氣閥；除從泵出口引冷卻水的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵外應(yīng)設(shè)置自動(dòng)溢流閥。

（3）泵殼通常采用鑄鐵，葉輪、軸套、耐磨環(huán)采用青銅，軸采用2Cr13不銹鋼。

（4）軸封采用填料密封。

（5）聯(lián)軸器采用梅花形或柱銷聯(lián)軸器（電機(jī)驅(qū)動(dòng)），或者高彈性聯(lián)軸器或萬向節(jié)聯(lián)軸器（柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)）。

［1］GB 6245.消防泵［S］.2006.

［2］NFPA 20，Standard for the Installation of Itationary Pumps for Fire Protection ［S］.2013.

［3］UL 448，UL Standard for Safety for Centrifugal Stationary Pumps for Fire-Protection Service ［S］.June，2007.

［4］API 610，Centrifugal Pumps for Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries ［S］.September，2010.

Analysis of Design and Type Selection of Petrochemical Low Pressure Firefighting Pump

Wang Fusheng

（CPECC East-China Design Brach，Qingdao 266071）

Fighting used water in fire extinguishing system generally is needed to pressurize by using firefighting pump so as to meet the requirements in water pressure and volume.Thus the selection and design of firefighting pump are important.Different from petrochemical pump，there are some special requirements for firefighting pump，thus different standards should be applied.Through the analysis of standards，such as GB 6245-2006，NFPA 20-2013 and UL 448-2007，and combined with practical engineering experiences，in this article，some proposals for firefighting pump in the aspects of hydraulic performance，auxiliary parts preparation，selection of part materials，shaft seal and coupling were presented，which were referenced in the selection and design of low pressure centrifugal firefighting pump used in petrochemical industry.

firefighting pump； hydraulic performance； shaft seal； coupling

TQ 086.1

A

2095-817X（2016）04-0047-003

2016-03-23

王福生（1983—），男，工程師，從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工程設(shè)計(jì)及研究。