尚佳成

（維德路特油站設(shè)備（上海）有限公司，上海 200131）

乙烯作為最重要的石油化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料，在其基礎(chǔ)上可衍生出多種合成材料和有機(jī)原料。乙烯的生產(chǎn)能力成為衡量一個(gè)經(jīng)濟(jì)體基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)，而大型乙烯裝置則是保障乙烯產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。乙烯產(chǎn)品泵作為乙烯裝置的核心設(shè)備之一，其研發(fā)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵單元技術(shù)始終是相關(guān)領(lǐng)域的重大課題。根據(jù)裝置工藝流程設(shè)計(jì)的不同，對(duì)乙烯產(chǎn)品泵的性能指標(biāo)要求也各有差異，本文針對(duì)某型乙烯產(chǎn)品泵的水力模型設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要闡述，并進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

1 乙烯產(chǎn)品泵的性能指標(biāo)和總體結(jié)構(gòu)方案

乙烯產(chǎn)品泵工作指標(biāo)要求比較嚴(yán)苛，介質(zhì)溫度低，裝置汽蝕余量小、流量大、揚(yáng)程高。近年來，低溫工況、深冷工況不銹鋼材料和處理工藝已被制造廠家普遍掌握，水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為制約此類產(chǎn)品可靠性的重要因素。

本文涉及的型號(hào)具體性能指標(biāo)如下：經(jīng)濟(jì)工況（設(shè)計(jì)點(diǎn)）流量：1860m3/h；經(jīng)濟(jì)工況揚(yáng)程：245m；關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程/經(jīng)濟(jì)工況揚(yáng)程：≤1.25；在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)泵效率：≥84%；振動(dòng)烈度最大值：2.8mm/s；噪聲：≤85db(A)；配套電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速：1500r/min；設(shè)計(jì)工況下汽蝕余量（NPSHr）：≤6m；整機(jī)壽命：≥40 年；大修周期：5 年；易損件壽命：＞8000 小時(shí)。

基于系統(tǒng)給定的裝置條件要求，并參考Sulzer、Flowserve、荏原等類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，本型乙烯產(chǎn)品泵總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：總體結(jié)構(gòu)為API610 標(biāo)準(zhǔn)VS6 型立式筒袋式三級(jí)離心泵，外筒體安裝在裝置基礎(chǔ)上，為了方便檢修和維護(hù)，除外筒體以外的部分設(shè)計(jì)成全抽芯結(jié)構(gòu)。水力部件包括首級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪、首級(jí)雙吸導(dǎo)流殼、次級(jí)導(dǎo)流殼。軸與軸的聯(lián)接采用高同心度的剛性套筒式聯(lián)軸器聯(lián)接；采用高分子材料AC-3 作為水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承，承受泵的徑向力；采用集裝式雙端面串聯(lián)機(jī)械密封作為泵的軸封，并在軸封前布置隔熱屏障避免泵內(nèi)低溫介質(zhì)對(duì)機(jī)械密封端面產(chǎn)生不利影響；軸向力由葉輪的平衡孔平衡掉一部分，殘余軸向力由滾動(dòng)軸承做為推力軸承部件承受。泵機(jī)組由一臺(tái)6.6kV、1800kW、4級(jí)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過彈性柱銷聯(lián)軸器聯(lián)接傳遞，驅(qū)動(dòng)泵工作。泵輸送的介質(zhì)從筒體上的進(jìn)口法蘭灌入，通過底部的葉輪加壓獲得能量，自下而上，最后從基礎(chǔ)上方的出水口水平排出。吸入口、吐出口為水平方向并與軸心線垂直布置，從傳動(dòng)端向泵看葉輪為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。泵機(jī)組自帶的稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)泵推力軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，需外供水對(duì)推力軸承體進(jìn)行冷卻。外設(shè)增強(qiáng)API 方案53 系統(tǒng)作為機(jī)械密封的輔助系統(tǒng)，保障低溫工況下機(jī)械密封正常運(yùn)行。圖1 為乙烯產(chǎn)品泵總體結(jié)構(gòu)方案圖。

圖1 乙烯產(chǎn)品泵總體結(jié)構(gòu)方案

2 水力設(shè)計(jì)及分析過程

水力設(shè)計(jì)過程是在性能指標(biāo)要求的前提下，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率做出平衡。

泵的工作轉(zhuǎn)速和首級(jí)葉輪形式的選擇受汽蝕余量要求制約。為了滿足銘牌工況點(diǎn)NPSHr ≤6m 的要求，則設(shè)計(jì)目標(biāo)預(yù)留安全余量后需滿足NPSHr=5.8m ＜6m。若泵的轉(zhuǎn)速為2960rpm、首級(jí)葉輪單吸，則銘牌工況點(diǎn)汽蝕比轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到3250，設(shè)計(jì)點(diǎn)汽蝕比轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到3280，極難實(shí)現(xiàn)；若泵的轉(zhuǎn)速為1480rpm、首級(jí)葉輪單吸，則銘牌工況點(diǎn)汽蝕比轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到1624，設(shè)計(jì)點(diǎn)汽蝕比轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到1640，也很難實(shí)現(xiàn)；若泵的轉(zhuǎn)速為1480rpm、首級(jí)葉輪雙吸，則銘牌工況點(diǎn)汽蝕比轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到1148，設(shè)計(jì)點(diǎn)汽蝕比轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到1160，難度較小，可以實(shí)現(xiàn)；若泵的轉(zhuǎn)速為980rpm，則尺寸過大，造價(jià)太高。因此，泵工作轉(zhuǎn)速確定為1480rpm、首級(jí)葉輪采用雙吸結(jié)構(gòu)泵的級(jí)數(shù)的確定考量制造成本和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等條件進(jìn)行。

若采用單級(jí)泵方案，則比轉(zhuǎn)速為45.5＜80，葉輪外徑通過速度系數(shù)法估算要達(dá)到860mm 左右?？梢娙~輪為大外徑的低比轉(zhuǎn)速葉輪，不但效率低，還導(dǎo)致泵體尺寸大、整泵造價(jià)高，不可取。

若采用兩級(jí)泵方案，按揚(yáng)程平均分配計(jì)算，則首級(jí)比轉(zhuǎn)速為76.5＜80，葉輪外徑為632mm 左右；次級(jí)比轉(zhuǎn)速為108.2，葉輪外徑為643mm 左右。可見首級(jí)也為低比轉(zhuǎn)速，很難達(dá)到高效率，泵整體尺寸也偏大；并且查現(xiàn)代泵設(shè)計(jì)手冊(cè)得知，為了滿足H0/H ≤1.25，首級(jí)葉輪要采用(Z=4 β2=20° β2 Z 0.773=58.4)，次級(jí)葉輪要采用（Z=6 β2=25° β2 Z 0.773=100）。由何希杰提出的β2 Z 0.773＜90 時(shí)，揚(yáng)程曲線不出現(xiàn)駝峰，可以看出，采用兩級(jí)泵雖能滿足H0/H ≤1.25，但性能曲線容易出現(xiàn)駝峰，不穩(wěn)定。

若采用三級(jí)泵方案，按揚(yáng)程平均分配算，則首級(jí)比轉(zhuǎn)速為103.7＞80，葉輪外徑為565mm 左右；次級(jí)比轉(zhuǎn)速為146.6，葉輪外徑為550mm 左右。三個(gè)葉輪均為中比轉(zhuǎn)速，容易實(shí)現(xiàn)高效率；選擇首級(jí)葉輪(Z=5 或6 β2=20°- 23° )，次級(jí)葉輪(Z=7 β2=25° -28° )，能滿足H0/H ≤1.2，并且通過對(duì)三個(gè)葉輪的調(diào)整保證性能曲線不出現(xiàn)駝峰。故確定本泵為三級(jí)泵。

在確定了泵的工作轉(zhuǎn)速和水力部件基本結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，采用相似換算和速度系數(shù)法設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)采用CFD 數(shù)值模擬的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定水力部件設(shè)計(jì)方案。

葉輪和導(dǎo)流殼關(guān)鍵特征尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

首級(jí)葉輪：Dj=305mm；dh=109mm；D2=575mm；b2=75mm；Z=6；β2=21°

次級(jí)葉輪：Dj=315mm；dh=125mm；D2=560mm；b2=65mm；Z=7；β2=29°

首級(jí)導(dǎo)流殼：D3=615mm；b3=155mm；D 出=312；φ0=12°；F8=17635mm2；總長(zhǎng)L=1020mm

次級(jí)導(dǎo)流殼：D3=585mm；b3=71.25mm；包角φ=110.5°；F3=5174.5mm2；總長(zhǎng)L=395mm

基于以上設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)流量Q=1860m3/h 等五個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行了CFD 仿真分析，得到的性能參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果見表1，圖2 為基于預(yù)測(cè)結(jié)果繪制的性能曲線，圖3 為泵出口段流場(chǎng)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。CFD 預(yù)測(cè)結(jié)果滿足性能指標(biāo)要求。

表1 CFD 預(yù)測(cè)得到的性能參數(shù)

圖2 CFD 預(yù)測(cè)得到的性能曲線

3 主要結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度分析

乙烯產(chǎn)品泵的末級(jí)導(dǎo)葉、出水段作為承壓最大的壓力邊界零件，底座做為承受泵機(jī)組整體運(yùn)行受力的基礎(chǔ)件，需要進(jìn)行強(qiáng)度分析以確認(rèn)最不利條件下的運(yùn)行安全性得到滿足。

末級(jí)導(dǎo)葉的約束和外力施加情況由圖1 所示的裝配位置圖分析，得出與底座相連的連接面為固定約束，外載荷包括末級(jí)導(dǎo)葉本身的重力、導(dǎo)葉內(nèi)腔的壓力、外壁的壓力和與重力方向相同的其他件的拉力。圖4 為末級(jí)導(dǎo)葉的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

末級(jí)導(dǎo)葉最大應(yīng)力位置在導(dǎo)葉葉片根部，最大值為100.9MPa，次末級(jí)導(dǎo)葉的材質(zhì)許用應(yīng)力極限值500MPa，即σmax ≤[σ]，滿足強(qiáng)度要求。

圖3 出口段流線圖

圖4 末級(jí)導(dǎo)葉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

出水段的受力考慮到電機(jī)重量、出水段出水水壓的影響。圖5 為出水段的強(qiáng)度和剛度有限元分析結(jié)果。出水段的最大應(yīng)力出現(xiàn)在出水口法蘭與出水管連接部分，最大值為183.42MPa，出水段的材質(zhì)的許用應(yīng)力極限值210MPa，即σmax ≤[σ]，所以其強(qiáng)度滿足需要。出水段最大變形位置處在出水口內(nèi)壁端蓋處，最大值為0.269mm，在裝置變形允許范圍內(nèi)。

圖5 出水段強(qiáng)度、剛度計(jì)算結(jié)果

底座承受整個(gè)機(jī)組包含電機(jī)、泵體抽芯部件等全部重量，同時(shí)也承受泵運(yùn)行過程中受到的水力軸向力。圖6 為底座的強(qiáng)度和剛度有限元分析結(jié)果。底座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在出水段法蘭配合的邊緣位置，最大應(yīng)力為13.393MPa，底座材質(zhì)的許用應(yīng)力極限值為210MPa，即σmax ≤[σ]，所以滿足強(qiáng)度要求。底座最大變形同樣出現(xiàn)在底座和出水段法蘭配合面的邊緣處，最大值為0.021mm，變形量對(duì)機(jī)組和裝置影響可忽略不計(jì)，剛度校核結(jié)果滿足要求。

圖6 底座的強(qiáng)度剛度計(jì)算結(jié)果

4 轉(zhuǎn)子部件的臨界轉(zhuǎn)速與強(qiáng)度分析

按照葉輪口環(huán)處失去液膜剛度支撐的最不利工況對(duì)轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得出，轉(zhuǎn)子部件一階固有頻率為44.218Hz，即一階臨界轉(zhuǎn)速為2653.08r/min。按照API610標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速超過工作轉(zhuǎn)速1.2 倍即可認(rèn)定為剛性轉(zhuǎn)子。本泵配套電機(jī)同步轉(zhuǎn)速僅有1500r/min，遠(yuǎn)低于一階臨界轉(zhuǎn)速，避免共振。

同時(shí)，參考CFD 分析得到的泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軸向力、徑向力結(jié)果，并將各部件質(zhì)量及動(dòng)平衡殘余量加載到轉(zhuǎn)子部件三維模型進(jìn)行有限元分析，校核剛度和強(qiáng)度。強(qiáng)度的有限元分析結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子部件中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在首級(jí)葉輪的導(dǎo)軸承內(nèi)表面臺(tái)階處,其值為179.33MPa，此臺(tái)階具有結(jié)構(gòu)功能無(wú)法通過設(shè)計(jì)變更消除，該零件材質(zhì)為1Cr17Ni2，屈服強(qiáng)度極限值為345MPa，即σmax ≤[σ]，強(qiáng)度滿足要求。轉(zhuǎn)子部件主軸、鍵等其他零件所承受的應(yīng)力均未超過100MPa，而轉(zhuǎn)子部件零件材料的許用應(yīng)力均高于此值，因此，判定轉(zhuǎn)子部件的強(qiáng)度校核結(jié)果滿足要求。

轉(zhuǎn)子徑向最大變形量為0.2mm，即最大動(dòng)撓度，小于口環(huán)位置的單邊間隙；轉(zhuǎn)子軸向最大靜態(tài)變形量為0.00043mm, 由于轉(zhuǎn)子通過靠近電機(jī)端的軸承定位，最大軸向變形位置在首級(jí)葉輪處，但由于此變形量可忽略不計(jì)，葉輪密封間隙無(wú)影響，也不會(huì)造成運(yùn)行過程中動(dòng)靜干涉。

在僅考慮重力作用或包含運(yùn)行過程中的軸向力作用，轉(zhuǎn)子均處于受拉狀態(tài)，其最大垂直靜柔度計(jì)算結(jié)果為0.00027mm，小于許用值[y]=0.0002L=2.1mm，滿足可運(yùn)行性要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)工程樣機(jī)測(cè)試，本型乙烯產(chǎn)品泵實(shí)測(cè)結(jié)果為：0.8Q ～1.2Q 流量范圍內(nèi)的性能參數(shù)與CFD 預(yù)測(cè)一致，效率＞85%；各流量點(diǎn)工況下振動(dòng)烈度最大值為2.2mm/s，所有工況點(diǎn)A聲功率級(jí)噪聲為84.3db(A)，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。