1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

石油化学工业是国民经济支柱产业之一，它的发展不仅关乎国计民生的需要，也直接或间接带动相关产业发展。离心泵是石油化工生产装置中用量最大的转动设备，在生产装置中它就像心脏输送血液一样，将各种液体介质，例如石油、成品油、化工原料、中间产品和成品，输送到各个地方。本文主要探讨石化企业用离心泵生产安全及管理的问题。

为了能对离心泵更好的了解并使用离心泵从而促进高效率的运作，我们有必要对离心泵进行一下系统全面的理解。本文在此较为系统理论的对离心泵的基本结构，制造，选型，安装进行了介绍，并且为了使大家对离心泵的应用安全有所了解，着重叙述了离心泵在化工生产中安全操作问题。当然，有使用就必定会出现或多或少的故障，若想要充分发挥其作用，就需要很好的维护措施和管理方式，以便于大家更好更方便的使用离心泵，少走弯路。因而，如何提高泵运转的可靠性、寿命、效率、并减少噪声，以及对发生的故障及时准确的判断处理，是保证生产平稳运行的重要手段。

在今后的国内经济发展中，由于原油的需求量快速增加、乙烯装置工程项目的增加、煤制油和煤制气新技术的快速发展，石油化工工业对泵设备的需求存在着一个巨大的市场，对石油化工用泵的产品技术、安全等方面进行研究和对其进行管理，有非常重要的现实意义。长期以来，国内外学者对离心泵的安全运行进行了大量研究，取得了不少成果。对离心泵常见安全故障进行了分析，并且给出了相应的应对措施。

1.1离心泵安全运行的研究现状及发展趋势

长期以来，国内外学者为离心泵的安全运行进行了大量研究，取得了不少成果。主要由泵自身方面和泵操作管理方面。文献[1]、[2]就离心泵这方面问题作出了总结。

1.1.1泵体自身

离心泵的主要零部件泵壳、叶轮、密封环、轴和轴承、轴封，它们的制造关乎着泵体生产安全。安全生产必须要注意泵壳材质的选用，以免发生故障，液体飞溅对人产生伤害。文献[3]就介绍了材料选用问题。泵壳有轴向剖分式和径向剖分式两种。大多数单级泵的壳体都是蜗壳式的，多级泵径向剖分壳体一般为环形壳体或圆形壳体。一般蜗壳式泵壳内腔呈螺旋型液道，用以收集从叶轮中甩出的液体，并引向扩散管至泵出口。泵壳承受全部的工作压力和液体的热负荷。

叶轮是唯一的作功部件，泵通过叶轮对液体作功，所以对于它的设计尤为重要^[4,5]。叶轮型式有闭式、开式、半开式三种。闭式叶轮由叶片、前盖板、后盖板组成。半开式叶轮由叶片和后盖板组成。开式叶轮只有叶片，无前后盖板。闭式叶轮效率较高，开式叶轮效率较低。叶片进口段形状越接近流线型泵的抗汽蚀性能越好，加大叶片进口段曲率半径可以降低泵的汽蚀余量，空化余量NPSH的计算公式^[6]，文献[7]～[13]对改善泵的汽蚀性能进行总结，从而保证泵运行安全。

密封及辅助系统是泵的主要组成部分，对泵的可靠运行起着决定性作用，一般按API682标准选取密封方案，对泵的密封材料和密封形式有一定的规定^[14，15]，合理选择以减少损失，避免噪音和振动，影响泵运行的平衡性^[16，17]。离心泵的机械损失是指机械摩擦引起的功率损失。一般分为两种，一种是轴承、轴封等部位的固体摩擦损失，一般认为这部分损失是轴功率的1%到3%；另一种是叶轮旋转时，其盖板外侧及外缘与介质摩擦引起的损失，称为圆盘摩擦损失，其大小与叶轮外径的五次方成正比，且比转速越低，圆盘摩擦损失就越大，如表一所示^[18]。若仅考虑圆盘摩擦损失，机械效率可以用洛马金机械效率公式估算^[19]。

表一 圆盘损失与比转速之间的关系

比转速	30	40	50	60	70	80	90	100	150	200
圆盘损失/水功率（﹪）	28.5	20.4	15.7	12.7	10.6	9.1	7.9	7.0	4.4	3.1

1.1.2执行管理

泵体的设计制造固然重要，然而泵体的安全生产更离不开操作人员的管理。下面我们就从几方面简单介绍一下，如何合理的选用、操作离心泵，若在生产过程中出现的安全问题应采取的措施，以及离心泵的维护和检修。

根据不同的工艺路线，石化厂主要装置一般为常压蒸馏、减压蒸馏、催化裂化、加氢裂化、延迟焦化等。需要的泵主要输送易燃易爆或有毒等危险液体，有的介质温度高达400℃以上，有的还含有固体颗粒，因此要求材料具有良好的耐腐蚀能力，泵还必须具有高的可靠性，能长期安全运转。详见表二^[20]，为避免高Nss带来的困难，选用高吸入比转数离心泵需要注意的几个问题^[21]。

表二 不同工艺路线的安全运转

装置名称	主要泵	特点
常减压蒸馏	初馏塔底泵 常压塔底泵 减压塔底泵	1工作介质为原油、重油、渣油等，温度可高达400℃左右。 2减压塔底泵吸入压力低，为负压，轴封处易泄漏；泵内易汽蚀，因此对要求严格。 3连续运转，可靠性要求高。
催化裂化	油浆泵	1工作介质为高温油浆（约400℃），内含有催化剂固体颗粒，过流部件易被冲刷、磨损。 2介质处于相平衡（液-汽）状态，要求高。 3连续运转，可靠性高。
加氢裂化	进料泵	1温度一般在200℃以下，但扬程可高达2000m左右。 2连续运转，可靠性要求高。 3一般为2台泵，开一备一，一台用汽轮机驱动，另一台用电机驱动。
延迟焦化	加热炉 进料泵	1温度可达400℃左右，含焦碳颗粒。 2一般为2台泵，开一备一，一台用汽轮机驱动，另一台用电机驱动。 3连续运转，可靠性要求高。
出焦水泵（除焦泵）	1工作介质为常温清水，压力高，最高达30 MPa，水中有焦粉，要求泵运转稳定。 2间歇运转。

离心泵的安装高度是流体输送设备中的重要内容，无论对学生的理论学习还是实际应用都具有十分重要的意义．按照水机安装布置图确定离心泵的安装高度是使用离心泵的一个重要问题，从外压和输送对象两方面对离心泵的安装高度进行探讨，得出了安装高度与允许吸上真空高度的三个关联式^[22]。另外，对于离心泵的安装还要注意一些细节以免影响泵的正常运转^[23，24]。

严格遵守运行管理规程的同时，应做好以下几方面的工作：离心泵启动前的安全、启动安全、运行安全和停车安全。文献[25]～[28]对离心泵启动前应做的准备工作、离心泵的运行及注意事项、离心泵的停泵和停泵后注意事项做了非常详细地叙述，可见对它们重视是不可忽视的。

有使用就必定会出现或多或少的故障，我们当务之急是要分析出这些故障出现的原因和解决办法，文献[29]、[30]为离心泵启动时无流，无压；流量不足或压头不够；驱动器过载；出口压力异常升高；密封泄漏突增现象得到了合理的解释。

为了使离心泵正常运转，我们坚持采用日常检查和定期保养相结合的方式，文献[31]～[35]有详细的讲述。例行维护的内容有很多，主要有以下几方面：轴承润滑、密封检查、振动分析、检查出口压力、检查温度等。

日常检查我们采用”一听二看三摸”的方法。”一听”：即使用中听泵有无异响、异常振动；听泵工作时的声音正不正常。”二看”：看各种仪表是否工作正常、稳定，电流不应超过额定值；看水泵出水量是否正常；看机组各部分是否漏水；看填料压紧程度，通常情况下填料处宜有少量的泄漏（每分钟不超过10滴～20滴）；看润滑油液面高度，低于刻度线及时添加；”三摸”摸一下电动机及水泵外壳，烫不烫手。

定期保养我们一般分为3个月检查、年度检查。不同的时间有不同的分工。三个月检查：检查地基和固定螺栓是否紧固；如果泵已经闲置，请检查机械密封，若有需要请更换；应至少每3个月（2000小时）更换一次油，如果大气条件恶劣或其它使油污染或可能分解的条件下换油的次数应多些，在油被污染或混浊时也应更换；检查同轴度校正，如有需要请重新校同轴度。年度检查：检查泵的流量，压力和功率。如果泵使用状况不能满足工艺要求并且使用的工艺数据没有改变，则应拆开检查且更换磨损部件。否则应做系统检查。

1.2离心泵安全运行的评估应用

安全生产是石油工业发展的基本保证，”安全第一，预防为主”是我国工业企业劳动保护的基本方针，也是石油工业企业必须遵循的一条准则。评估方法有很多方向，下面我们就几种简单介绍一下^[36～39]。

1.2.1 AHP#8212;模糊综合评价法在离心泵安全评价中的应用

将模糊综合评价法与层次分析法相结合，建立基于AHP-模糊综合评价模型，并探讨基于AHP-模糊综合评价方法在离心泵安全评价方面的应用；一方面，可以全面分析影响泵故障的人、机、环境等各方面原因，及时了解离心泵的工作状态，更好的掌握系统故障的重点部位和故障机理，为改进各部件的质量和预防故障的发生有重要的意义；另一方面，可以更全面地考虑到各方面的影响因素，提高综合安全评价的可靠度与可信度。根据离心泵系统的结构、实际运行情况、常见故障模型及历史故障数据建立安全评价指标体系，结合层次分析法确定矩阵权重值，确定单级模糊综合评价结果；利用上述评价结果，可以进行多级模糊综合评价，最后得出离心泵的安全等级。

1.2.2离心泵主要性能参数与反应堆运行

以离心泵的主要性能参数为依据，讨论了反应堆在运行过程中需要注意的问题；以高通量工程试验堆（HFETR）运行为背景，归纳了离心泵在运行过程中容易出现的典型故障；运用离心泵的基础知识，可帮助运行人员迅速发现、判断和处理离心泵在运行时发生的故障，保证反应堆安全运行。

当系统尺寸、材料、泵型一定时，扬程是流量的减函数，泵流量越大，扬程就越低。泵电机在启动时，其启动电流约为工作电流的5-7倍。

离心泵常见故障（表三、表四）：

表三 高通量工程试验堆离心泵常见故障表

故障现象	故障部位	故障的可能原因
泵电流波幅较大，流量不稳定	泵联轴器打滑错位	轴向串动过大
泵电流减少为空载电流，流量锐减	泵叶片损坏、泵体及管道发热或出口阀损坏	汽蚀或系统出口阀因故突然关闭
泵出口压力降低，系统补水周期缩短	机械密封或水封损坏漏水	密封面损坏或水封密封垫破裂
无电流指示、流量、压力正常	电流表	电流表损坏或线路故障
无电流、流量、压力指示	检测仪表	失去电源
泵轴承温度异常升高	润滑油不足	轴承冷却水减少或中断及润滑油泄漏
穿墙轴承有异常杂音	轴承保持架破裂或叶轮口环松动	润滑脂中混有金属杂质或口环径向位移
流量、电流小幅波动（﹤5%）	#8212;	外电网供电系统参数不稳
穿墙轴承振动剧烈，泵轴承温度升高较快	泵轴键槽处产生裂纹	交变的弯曲载荷引起疲劳扩展
流量、电流过大	波速过大引起泵体剧烈振动	汽蚀或启动时未闭阀启动

表四 国外核电站主泵典型事故表

电站名称	发生时间	事件简介	故障部位	故障原因
Prairie Island	1981.7.6	”21#”主泵轴振动，8h内振幅由160μm升至560μm，1#轴封泄漏增加，被迫停堆。	叶轮一侧磨损，泵轴上出现圆周状裂纹。	泵轴裂纹时由于轴弯曲疲劳引起。
Three-mile Island	1984.1.31	”1B”主泵电机支座振动，振幅为25.4μm，第二条为40μm。	泵轴上有线状裂纹，位于键槽附近。	因高循环低应力弯曲疲劳引起。
Grafenrhe in-feld	1986.5.17	发现4#主泵轴键槽附近有裂纹，导致1986.12.4泵轴断裂、反应堆事故停堆。	泵轴上有线状裂纹，位于键槽附近。	弯曲载荷引起疲劳扩散而形成的破坏。
Three-mile Island	1984.1.31	”1B”主泵高于正常流量的50%运转时间过长、振动加强，引起叶轮汽蚀和产生高径向载荷。	7枚叶片中有6枚损坏，其贯穿孔厚度最大为19mm。	主泵叶轮因汽蚀损坏，单泵运行不能长期处于大流量状态。
Palisades	1985.11.16	核电站换料时发现堆芯有金属碎片，用光学仪器检查，确定碎片来自”C”主泵。	”C”主泵导叶上有裂纹，叶片被裂纹贯穿，叶片不完整。	叶轮叶片根部位的裂纹时铸造过程内部收缩引起的。

运行中出现故障或者异常，应当及时处理，防止事态扩大或重叠运行事件。

1.2.3安全与经济性分析

为满足当前大流量高层供水，及火力发电厂大容量、高参数、高稳定性供水要求，单泵独立运行已无法满足，此时采用多泵联合串并联运行，通过合理配置离心泵及现代控制技术，对离心泵多泵联合串并联运行特性分析，达到稳定安全经济供水的目的。

串联运行时，当关小阀门节流，虽然改变了系统流量，同时也造成节流损失。

并联运行时，流量随系统阻力曲线延升变陡而减小，而此时系统总流量在相同型号离心泵并联运行且泵组支路系统特性相同。

能源动力工程科学供水涉及到众多的工业化生产系统，其中燃煤火力发电厂已近入大机组，高度自动化的时代，高参数、大容量的火力发电机组，更需要安全稳定，经济的运行方式，因此大机组对系统运行的安全稳定性提出了更高的要求。通过驱动设备同时带动前置水泵与给水泵，多级升压达到供水所需的高扬程，用泵组并联的方式，通过给水操作平台及旁路系统满足不同工况下供水流量的变化。采用变频调速、液力耦合器等方法，实现无级变速流量调节。

1.2.4强度分析与安全评估方法的研究

为了克服传统的离心泵泵体强度设计及校核方法不足，研究了基于有限元方法及”分析设计法”的泵体强度分析及安全评估方法。

具体步骤:第一步，进行总体应力分类。第二步，进行局部应力分解及分类。第三步，根据压力容器中有关的应力评价准则，对计算结果进行比较评价。泵体强度分析评价准则（表五）。

表五 泵体强度分析评价准则

应力分类 计算工况	一次应力	二次应力	峰值应力	备注
薄膜应力	局部薄膜应力	弯曲应力
					计算应力 许用应力
设计工况（测试压力工况）				----------------	----------------
停开机危险工况（关死点压力工况）

1.3离心泵安全预测的发展趋势

目前，在泵安全方面的措施展开的还不错，对生产中常见的故障能及时的检修和维护，随着石化行业快速发展以及世界各公司技术水平的不断提高，对泵产品的综合技术指标要求越来越高，也越来越多元化。今后的主要发展趋势同时要求向大功率、无密封、高效率、自动化方向发展，特别是自动化方向，利用现代信息技术、解决问题。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题要研究或解决的问题：

1、离心泵的设计、制造、选型、安装等环节的安全研究

主要介绍离心泵泵壳和叶轮的设计选材。为了保证泵的运行安全和运行平衡性主要从泵的抗汽蚀能力和密封材料及密封形式等方面介绍。