一、前言
我國石油化工、電力等行業正朝著大型化、規模化和國際化方向以一個可持續的速度發展。在國家提出加快振興裝備製造業方針後，通用機械行業不斷創新、積極對重大技術攻關，取得了豐碩的成果。通用機械行業的泵行業也取得了很大的進步，但不可否認的現狀是產品大都是吸收引進、轉化甚至直接用歐美等國家的產品或者還在使用20世紀的老產品，而自我研發的新產品、具有核心技術產品還很少。就現階段的貿易摩擦、技術封鎖和專利糾紛的國際大環境下，國內對知識產權的重視和保護、製造業產品國產化要求以及自主研發創新泵產品將成為工程設計人員的主要責任和行業健康、可持續發展的堅實基礎。
現有OH3型立式管道泵，使用溫度最高在120℃左右，壓力為2.5MPa。在高溫、高壓工況下現有產品已不能滿足使用要求。因此，新設計一種耐高溫、高壓的OH3型立式高溫管道泵以填補該空白。
二、OH3型立式高溫管道泵結構及使用特點
該泵設備選用徑向剖分立式單級離心泵（結構見圖1），具有流量大，揚程高、功率大、採用高效水力模型以及效率高的特點。設計溫度壓力為5.0 MPa，使用溫度可達450℃，主要用於泵送高溫、高壓清潔或者含有微量顆粒介質。葉輪入口特殊設計，提高NPSHr（必需汽蝕餘量）。泵殼採用雙蝸殼結構，用於平衡徑向力。聯軸器採用加長型，不拆卸電動機即可更換軸承與機械密封，檢修方便快捷（見圖2）。
圖1 OH3型立式高溫管道泵結構
1.電動機架 2.風扇 3.滾動軸承 4.軸承箱體 5.軸 6.軸承架
7.機械密封 8.滑動軸承 9.口環 10.葉輪
圖2 OH3型立式高溫管道泵外觀
三、結構分析及創新設計
軸承部件設計，設計為一對角接觸球軸承與一組滑動軸承組合的結構。由上部角接觸球軸承承受軸向力以及徑向力，下部靠近葉輪的滑動軸承承受徑向力。兩軸承之間的距離最大為500mm，符合API610軸導向襯套之間最大距離的要求，且結構更為緊湊。軸承箱體單獨設計通過止口定位在軸承架上，聯軸器採用加長型膜片聯軸器。在檢修時，無需拆卸電動機，可直接將軸承箱體連同球軸承一起取出，機械密封也如此，裝卸方便。
滑動軸承不僅承受徑向力，當泵出口壓力較大時還可起到平衡軸向力作用，使得密封腔壓力約等於入口壓，可使泵設計壓力達到5.0MPa。當泵送有雜質顆粒的介質時，可以在滑動軸承（孔W）通入壓力大於葉輪背壓的不汙染介質的清潔外媒，將顆粒物直接沖洗到泵腔，即起到冷卻潤滑滑動軸承作用，也可以間接保護機械密封無雜質侵入，提高機械密封使用壽命，同時在選擇機械密封時可去除顆粒物的考慮，有效降低泵成本。
滾動軸承採用風扇冷卻。在軸旋轉的同時，風扇能夠驅散熱量，從而降低對結構和軸承的溫度負荷。該方案解決現場無工藝冷卻水的工況，減少輔助管路的消耗，節水節能。
在材料選擇方面。在高溫工況下，泵的殼體和葉輪密封環、軸套和襯套等關鍵部位全部選用了專有合金材料LEWMET（路美特）合金，可以大大提高高溫泵的耐腐蝕性和耐磨性，這是其他材料所不具備的獨特優勢。其他過流部件材料選用見下表。
材料的許用最高溫度表
材料類別 最高溫度/℃
碳鋼 370
低合金鋼 370
馬氏體不鏽鋼 370
奧氏體不鏽鋼 425
Ni-Cr-Fe 425
Ni-Cu 425
產品智能化方面。不但智能化製造是未來的主要發展目標，而且也需在設計產品時滲入智能化理念。現離心泵軸向力的平衡主要是葉輪設計平衡孔、平衡管以及平衡鼓等方法，其中單級泵多用葉輪設計平衡孔方案。而平衡孔的設計並沒有準確的理論計算方法，都是按照葉輪口環間隙的5～8倍來估算，當葉輪口環磨損後，軸向力會增加，平衡孔設計太小會使固定軸承受力太大，損壞滾動軸承。平衡孔設計太大，會有大量流體迴流到入口，擾亂入口流動狀態，降低效率。因此在這裡引入智能化理念，採用平衡管平衡軸向力（P孔）方案。首先，在滾動軸承處設有溫度監測傳感接口，可遠距離實時監測軸承溫度。其次在平衡管路上設計智能電動閥門。電動閥門通過電動閥門控制器自動調節時，監測軸承溫度，當軸承溫度達到規定值（可設上下限）時，電動控制閥門自動開、閉。通過智能化控制，不但可以保護軸承，增加泵壽命，而且可以減少多於的流量損失而有效的額外提高泵效率。
四、運轉驗證
設計的OH3立式高溫管道泵，在產品試驗時性能、振動、噪聲均符合API要求。試驗溫度為15℃，運轉30min後，軸承溫度恆定在23℃，軸承的溫升僅為8℃，滿足API610標準要求軸承溫升不應超過40K的規定。該泵在現場泵送為300℃的導熱油，單機、聯合試運轉合格後，進行負荷運轉時，監測到運行平穩、安全可靠。主要指標如流量、揚程、效率、噪聲和振動等完全滿足合同和標準要求。且軸承溫升為僅為14℃，完全解決了高溫泵的軸承溫升問題。
五、結語
目前，此泵設備已在現場運轉1年多，各項性能合格，滿足工況需求。此次設計的OH3立式高溫管道泵結構設計合理，性能優良，運行平穩，填補了國內設備在該項目的空白，很好地解決了高溫時軸承的冷卻、節能環保、智能化及設備檢修問題。
來源：《通用機械》2019年8期趙奎山、郭春陽、蔡學科
找閥門，要上網，就找全球閥門網！
閱讀更多 閥遍天下 的文章
