О компанииПродукцияСервисИнформацияКонтактыFAQВакансии

Опыт применения стандарта API610 при проектировании предприятий нефтяной и нефтехимической промышленности 

Производства нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности – одни из самых опасных и ответственных. Жесткость стандартов, которые используются в данных отраслях промышленности, вызвана в первую очередь требованиями безопасности и надежности работы оборудования. В современном мире к этим требованиям добавляется еще необходимость максимальной экономической эффективности данного производства.

Стандарт API610 «Центробежные насосы для нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности» разработан Американским институтом нефти (API) и устанавливает требования, предъявляемые к центробежным насосам, включая насосы, работающие с реверсивным потоком. За свою историю Американский институт нефти разработал и поддержал более 500 стандартов и рекомендуемых практик, каждый год распространяется более 200 000 копий стандартов. По состоянию на ноябрь 2012 г. выпущено 11 изданий стандарта API610. В десятое издание официально включена ссылка на Европейский стандарт ISO 13709, который находился в разработке, когда девятая редакция была выпущена. В 2003 г. международная организация по стандартизации ISO выпустила первую редакцию стандарта ISO13709, который идентичен десятой редакции стандарта API610.

Рассмотрим требования, предъявляемые зарубежными проектными организациями к поставщикам и производителям насосного оборудования. Конечно, в данной статье мы не сможем описать все имеющие место требования, но постараемся прокомментировать наиболее часто встречающиеся вопросы.

Стоимость компонентов жизненного цикла насосного агрегата
Рис. 1. Стоимость компонентов жизненного цикла насосного агрегата

Как уже упомянуто, одним из основных требований современных заказчиков является экономическая эффективность выбранного оборудования. Известно, что cтоимость жизненного цикла насоса складывается из нескольких компонентов. Рассмотрим десятилетний цикл работы промышленного насоса среднего типоразмера. На рис. 1 приведено примерное распределение затрат (по обобщенным данным производителей насосного оборудования и Института Гидравлики США):

Влияние различных факторов на стоимость владения насосом. В первую очередь следует обратить внимание на правильность подбора и особенности конструкции насоса, обусловливающие число запасных частей и ремонтов (далее все ссылки приведены на пункты стандарта в 10-й редакции).

Стандарт API610 требует, чтобы номинальная точка находилась в диапазоне 80–110% подачи в точке максимального КПД (пункт 5.1.14). Как видно из рис. 2, насос при этом работает в оптимальной рабочей зоне с низкими нагрузками и низким уровнем вибрации. Соответственно увеличивается межремонтный пробег.


Связь между подачей и вибрацией
Рис. 2. Связь между подачей и вибрацией (соответствует рисунку 26 десятой редакции стандарта API610):
1 - допустимый рабочий диапазон подачи; 2 - предпочтительный рабочий диапазон подачи; 3 - максимальная допустимая предельная вибрация при предельной подаче; 4 - основная предельная вибрация; 5 - точка максмального КПД; 6 - кривая зависимости типичной вибрации от подачи; 7 - кривая зависимости напора от подачи; 8 - точка максимальной производительности, напор и подача

Повышение напора при использовании рабочих колес большего диаметра
Рис. 3. Повышение напора при использовании рабочих колес большего диаметра
(D1, D2 - диаметры рабочих колес)


Насосы, выполненные по стандарту API610, имеют возможность повышения напора как минимум на 5%, что может достигаться заменой рабочего колеса (рис. 3) или изменением частоты вращения. Это значит, что при изменении параметров гидравлической системы имеется возможность использовать тот же насосный агрегат с минимальными изменениями его конструкции (см. пункт 5.1.6).

Применение колец щелевого уплотнения позволяет ограничить рециркуляцию и, следовательно, повысить КПД насоса. Согласно стандарту API610 (пункты 5.7.1, 5.7.3), кольца щелевых уплотнений должны быть сменными (рис. 4). При этом нет необходимости в ремонте рабочего колеса, а сами кольца щелевых уплотнений проще заменить.

Кольца щелевого уплотнения рабочего колеса
Рис. 4. Кольца щелевого уплотнения рабочего колеса (отмечены красным)

КПД насоса, потребляемая мощность и кавитационный запас насоса – одни из самых важных параметров насосного агрегата. Согласно стандарту API610 (пункт 7.3.1.1), эксплуатационные испытания и испытания по определению кавитационного запаса насоса (NPSHr) должны производиться в информационных целях с использованием методов ISO9906, класс 1, Hydraulic Institute 1.6 (для центробежных насосов) или Hydraulic Institute 2.6 (для вертикальных насосов). Рассмотрим более подробно, что подразумевают испытания по этим стандартам, и какие допуски при этом используются.

Первое издание ISO 9906 – это стандарт, описывающий проводимые большинством европейских производителей гидравлические испытания насосов, поставляемых на внутренний рынок, а также своим традиционным заказчикам. Североамериканские производители насосов обычно используют стандарт американского Института Гидравлики Категории А. По стандарту ISO допустимо указывать более высокие значения гидравлического КПД на кривой насоса, так как имеется больший минусовой допуск на КПД. Расходно-напорные кривые при этом не меняются. На кривых по стандарту ISO 9906 категории 1 или 2 расчетная и максимальная мощность указываются на основе заявленного КПД. Стандарт, согласно которому издана кривая, указывается в шапке документа.

Однако мощность электродвигателя должна выбираться, исходя из минимального КПД, допустимого по стандарту, чтобы предотвратить перегрузку двигателя. Таким образом, мощность двигателя рассчитывается по КПД согласно стандарту Института Гидравлики Категории А.

Стандарт гидравлических испытаний ISO следует применять только в тех случаях, когда заказчик традиционно использует только его. В общем случае стандарт ISO не следует использовать в проектах для инженерных подрядных организаций и клиентов, которым он не знаком и которые не согласны его принять. За применение того или иного стандарта допусков отвечает продавец оборудования. Также он обязан адресовать все вопросы заказчика по данной теме заводу.

Можно ли в условиях современного проектирования рассмотреть все эти параметры для каждого производителя насосов, приславшего свое предложение для проектирования? Да, это возможно и необходимо, но потребует очень больших временных затрат со стороны проектной организации. Иностранные проектные организации решают этот вопрос, требуя полного соответствия предлагаемого оборудования стандарту API610 последней редакции.

Второй вопрос, который мы хотели бы рассмотреть в рамках данной статьи, – это влияние конструктивных особенностей насоса на процесс проектирования и дальнейшую эксплуатацию насосов.

Для наилучшего соответствия насосного оборудования требуемым параметрам в ряде случаев требуется определенное расположение патрубков насоса. Рассмотрим двухопорный одноступенчатый насос с радиальным разъемом корпуса (тип BB2) на примере насоса марки 3610 компании ITT Goulds Pumps (рис. 5).

Из-за высоких давлений и температур возможная нагрузка на фланцы обусловливает требования к допустимому давлению по фланцам (не менее PN50/ANSI B16.5300) согласно API610 (пункт 5.4.2.3, 5.3.5). Максимально допустимое рабочее давление при этом должно быть не меньше суммы максимального давления на выходе и 10% максимального перепада давлений. Номинальное давление при этом составляет, как правило, не менее 40 бар (п. 5.3.5). На рис. 6 представлен консольный одноступенчатый насос (тип OH2) модели 3700 компании ITT Goulds Pumps с фланцами 300 по ANSI B16.5 c уплотнительной поверхностью RF.

Варианты расположения патрубков насоса 160 компании ITT Goulds Pumps
Рис. 5. Варианты расположения патрубков насоса 160 компании ITT Goulds Pumps:
а - патрубки направлены вверх; б - конструкция патрубков "в линию"; в - патрубки расположены под углом 90°


Качество плиты основания заметно сказывается на надежности, сроке службы и безопасности насоса. Стандартом API610 определены следующие критические факторы: способ сборки, плоскостность,прочность, максимальное смещение вала, сбор и дренаж жидкостей, возможность изменения положения. Эти критерии основаны на опыте, показывающем, что плохо спроектированная плита-основание – одна из причин ненадежной работы насоса. В частности, API610 требует, чтобы все компоненты находились в пределах периметра плиты-основания (кроме клеммной коробки электродвигателя – см. пункт 6.2.3), ограничивает предельно допустимую деформацию сдвига муфты насоса – 0,175 мм в вертикальном направлении и 0,075 мм в горизонтальном (п. 6.3.7). Пример плиты-основания для насоса типа OH2 модели 3700 производства компании ITT Goulds Pumps приведен на рис. 7. Строго говоря, если размеры насоса и привода позволяют, то плита-основание должна иметь стандартизированные размеры и быть спроектирована с расчетом на цементацию (п. 6.3.12). При этом типоразмер плиты выбирается из стандартного ряда, который можно найти в приложении D стандарта API610.

Насос 3700 компании ITT Goulds Pumps с фланцами класса 300 по ANSI B16.5
Рис. 6. Насос 3700 компании ITT Goulds Pumps с фланцами класса 300 по ANSI B16.5

С каждой новой редакцией стандарт API610 предъявляет все более жесткие требования к конструкции насосов, что говорит о целесообразности соблюдения требований именно последней версии. Рассмотрим несколько примеров.

Ранняя (седьмая) редакция API610 допускает конструкцию насосов с более тонким и гибким валом, который спроектирован для работы с сальниковой набивкой, из-за чего могут возникнуть проблемы при работе с торцовым уплотнением. Десятая редакция стандарта API610 ограничивает допустимый прогиб вала значением 0,05 мм с целью предотвратить выход уплотнения из строя. Такое ограничение прогиба вала может быть обеспечено путем комбинирования диаметра вала, длины свободного конца вала и конструкции корпуса (включая использование двойных спиралей или направляющих аппаратов, см. пункт 5.6.9). При этом десятая редакция также требует, чтобы все насосы оснащались торцовыми уплотнениями и системами промывки торцовых уплотнений в соответствии c API682/ISO21049 (см. пункт 5.8.1 API610 десятой редакции). Стандарт API682 (ISO 21049) определяет наилучшую практику в подборе и эксплуатации торцовых уплотнений с целью продления срока их службы как минимум до трех лет.

Насосный агрегат на базе насоса 3700 ITT Goulds Pumps
Рис. 7. Насосный агрегат на базе насоса 3700 ITT Goulds Pumps

Стандарт API610, начиная с девятой редакции, не предусматривает дополнительной опоры подшипникового узла для насосов типа OH2 (см. пункт 8.1.1). Дополнительная опора делает более сложным начальную центровку насоса на плите – требуются регулировочные прокладки. Расположить и поддерживать на одной линии валы насоса и двигателя невозможно (в высоко-температурных насосах) из-за неравномерных тепловых расширений. Силы и моменты, действующие на патрубки, передаются на стойку подшипника, вызывая скручивание и провисание в уплотнении и подшипнике, поэтому может уменьшаться межремонтный пробег насосного агрегата.

Теплопередача очень критична, в случае если насосы работают с высокими температурами. В некоторых случаях насосы могут работать с температурами выше 300 и даже до 425°С. Для обеспечения надежности подшипников они должны быть должным образом изолированы от высоких температур. Рассмотрим опции охлаждения на примере насоса 3700 ITT Goulds Pumps (рис. 8): внутренние термобороздки между торцовым уплотнением и подшипниками, тепловой отражатель (воздушный зазор с теплоотбойником) между подшипниковым узлом и проточной частью насоса, опции вентиляторного или водяного охлаждения, ребра охлаждения на подшипниковом узле для улучшения отвода теплоты.

Опции охлаждения насоса 3700 ITT Goulds Pumps
Рис. 8. Опции охлаждения насоса 3700 ITT Goulds Pumps

Все эти особенности конструкции можно найти в предложении компании-поставщика. К сожалению, все поставщики используют различные форматы предоставления информации. Целесообразно было бы требовать от поставщика заполнения спецификаций согласно стандарту API610. При этом все поставщики  предоставляли бы данные в едином формате, что облегчило бы проектной организации сравнение различных предложений. При этом при работе с иностранными проектными организациями сохранятся требования полного соответствия стандарту API610 в последней редакции, что позволит снять многие вопросы автоматически и не проводить дополнительные уточнения и согласования в процессе проектирования.

Надеемся, что данный опыт окажется полезным как специалистам проектных организаций, так и представителям заказчика, которые смогут готовить конкурсные торги в более сжатые сроки и проводить сравнение различных поставщиков оборудования на равных условиях.

Имеет смысл привести используемые в данной статье пункты стандарта API610:

5.1.14. Предпочтительный рабочий диапазон насосов должен составлять от 70% до 120% производительности, соответствующей максимальному КПД насоса. Номинальная подача должна составлять от 80% до 110 % производительности, соответствующей максимальному КПД насоса;

5.7.1.
Для ограничения внутренних утечек и при необходимости балансировки осевых сил должны быть  предусмотрены радиальные рабочие зазоры. Лопатки рабочего колеса или закрытые осевые зазоры не должны использоваться для балансировки осевых сил. В корпусе насоса должны быть предусмотрены сменные кольца щелевых уплотнений. Рабочие колеса должны иметь либо полные поверхности износа, либо сменные кольца щелевого уплотнения;

5.7.3.
Сменные кольца щелевых уплотнений, если они используются, должны удерживаться на месте посадкой с натягом с применением стопорных штифтов, винтов (осевых или радиальных) или путем сварки прихваточными швами;

5.4.2.3.
Фланцы (за исключением чугунных) как минимум должны соответствовать требованиям к размерам ISO7005-1 PN 50, за исключением указаний в п. 5.4.2.4, и требованиям к качеству поверхности ASME B16.5 или ASME B16.47.
Примечание. Для справки: ASME B16.5, класс 300 и ASME B16.47, класс 300, эквиваленты ISO 7005-1 PN50. 5.3.5. …максимально допустимое рабочее давление… должно быть не меньше, чем:

a) для одноступенчатых и двухступенчатых двухопорных насосов с осевым разъемом корпуса и однокорпусных вертикальных консольных насосов номинальное давление равно номинальному давлению PN20 (ISO 7005-2, фланцы из чугуна) или номинальному давлению PN20 (ISO 7005-1, стальные фланцы) для класса материала, соответствующего классу материала корпуса, работающего под давлением;

b) для всех других насосов минимальное номинальное показание манометра 4000 кПа (40 бар) при температуре 38°С (100°F) или не менее, чем PN50 (ISO 7005-1);

5.6.9. Для получения удовлетворительных характеристик уплотнений жесткость вала должна ограничивать общий прогиб в наиболее жестких динамических условиях во всем допустимом диапазоне работы насоса с рабочим колесом (рабочими колесами) максимального диаметра и при установленных скорости вращения и перекачиваемой жидкости значением 50 мкм (0,002 дюйма) на основных уплотняющих поверхностях. Такое ограничение прогиба вала может быть достигнуто путем комбинирования диаметра вала, амплитуды колебаний вала или длины свободного конца вала и конструкции корпуса (включая использование двойных спиралей или направляющих аппаратов). Для одно- и двухступенчатых насосов влияние вязкости жидкости на кольца щелевых уплотнений рабочего колеса не должно рассматриваться. Для многоступенчатых насосов влияние вязкости жидкости должно быть рассмотрено, и расчеты должны быть проведены как для одинарного, так и двойного номинального расчетного зазора. Вязкость жидкости, смазывающей подшипники и втулки подшипников, должна вычисляться для одинарного и двойного номинального расчетного зазора;

6.3.2. Опорная плита должна располагаться под насосом и компонентами цепи привода так, чтобы любая утечка происходила в пределах опорной плиты. Для сведения к минимуму случайного повреждения компонентов все трубные соединения и опорные поверхности трубных фланцев, включая фланцы на входе и выходе насоса, должны находиться в пределах желоба или поддона. Все другие выступающие поверхности поставляемого оборудования должны находиться в пределах максимального периметра опорной плиты. Клеммные коробки увеличенных размеров могут выступать над периметром опорной плиты с одобрения покупателя;

6.3.10. Наружные углы опорной плиты, контактирующие с цементным раствором, должны быть закругленными радиусом не менее 50 мм;

6.3.9. …отверстия для цементации в местах расположения поддона должны иметь отбортованные кромки размером 13 мм (0,5 дюйма). Если отверстия располагаются в месте, в котором жидкости могут попадать на открытый цементный раствор, то необходимо установить металлические крышки, минимальная толщина которых составляет 1,5 мм (0,06 дюйма, калибр 16). В наивысшей точке в каждой секции опорной плиты с перегородками должны быть предусмотрены отверстия диаметром не менее 13 мм (0,5 дюйма);

6.3.4. Под насосом не должны устанавливаться прокладки…;

6.3.12. Если размеры привода и насоса позволяют, то опорные плиты должны иметь стандартизованные размеры (см. Приложение D) и проектироваться с расчетом на цементацию. Эти опорные плиты должны называться «Стандартными опорными плитами, номера 0,5 – 12»;

8.1.1
Использование задних опор корпуса подшипника запрещается;

7.3.1.1
Эксплуатационные испытания и испытания по определению кавитационного запаса (NPSH) должны проводиться с использованием методов ISO 9906, класс 1, Hydraulic Institute 1.6 (для центробежных насосов) или Hydraulic Institute 2.6 (для вертикальных насосов) за исключением того, что производительность должна определяться только в информационных целях, а не для оценки.

М. Сурников, А. Кобзев, Г. Амусьев (филиал корпорации ITT Fluid Technology)
идет загрузка изображения
О компанииПродукцияСервисИнформацияКонтактыFAQВакансии