Автор: А.А. Кобзев (ООО «Ай-Ти-Ти Индастриз Рус»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №3/2018

Нефтяные и мазутные терминалы, как правило, располагаются в непосредственной близости от нефтеперерабатывающих заводов и морских портов, в которых танкеры производят разгрузку. Часто терминалы имеют непосредственное подключение к магистральному трубопроводу, подающему сырье на объекты переработки.

Винтовые насосы широко используются на терминалах и служат, например, для разгрузки и погрузки нефтепродуктов на суда, в железнодорожные и автомобильные цистерны, резервуары хранения. Двухвинтовые насосы являются наиболее выгодным, надежным и безопасным типом оборудования, особенно при низких значениях кавитационного запаса системы, необходимости самовсасывания, а также при перекачивание высоковязких жидкостей (более 125 сСт).

В данной статье рассматриваются основные конструктивные особенности двухвинтовых насосов, особенности их работы и ограничения. Предоставленная информация поможет заказчикам и проектным организациям сделать правильный выбор наиболее технически подходящего и экономически выгодного типа оборудования, повысить надежность гидравлической системы и снизить общую стоимость владения.

Принцип работы винтового насоса. Двухвинтовые насосы относятся к насосам объемного типа действия – в них давление создается путем смещения жидкости от всасывания к нагнетанию с помощью вращающихся в корпусе винтов. Давление нагнетания определяется давлением системы: если патрубок нагнетания не подключен к трубопроводу, то жидкость из насоса будет выходить под атмосферным давлением. Расход насоса пропорционален частоте вращения винтов. Диапазон изменения давления ограничивается прочностью насоса и трубопровода (по факту – величиной настройки предохранительного клапана). КПД насоса растет с увеличением вязкости перекачиваемой жидкости вследствие лучшего уплотнения камер рабочих винтов насоса и снижения перетечек. Как правило, для жидкостей вязкостью более 500 сСт рекомендуется применять винтовой насос. Важной особенностью винтовых насосов является их способность к самовсасыванию. Однако, как и в случае с центробежными насосами, не следует забывать про кавитацию – кавитационный запас насоса должен быть ниже кавитационного запаса гидравлической системы.

Корпус насоса. Корпус насоса (литой или сварной) имеет радиальный разъем, к которому крепятся корпуса подшипниковых узлов и камеры торцовых уплотнений.

Организация потока, при которой поток при входе в насос разделяется на две равные части, смещается винтами к центру и снова объединяется на нагнетании, имеет определенные преимущества. Во-первых, торцовые уплотнения воспринимают давление всасывания – самое низкое в системе. Это позволяет применять торцовые уплотнения наиболее простой конструкции, что позитивно сказывается на надежности, а также на затратах по приобретению запасных торцовых уплотнений.

Во-вторых, в двухвинтовом насосе осуществляется двунаправленное движение потока, которое позволяет минимизировать осевые усилия, создавая тем самым благоприятные условия работы винтов, подшипников и торцовых уплотнений. Кроме того, двухвинтовые насосы как насосы с двухсторонним всасыванием характеризуются низкими значениями кавитационного запаса насоса (NPSHr).

Корпуса выполняются из самых различных материалов. Из наиболее часто используемых можно выделить чугун, углеродистую и коррозионно-стойкую сталь. Для загрязненных или абразивных жидкостей может быть произведено упрочнение металла корпуса либо упрочнение винтовой пары хромом или стеллитом.

Отдельное внимание стоит уделить применению насосов в условиях низких отрицательных температур, для которых, как правило, применяется низкотемпературная углеродистая сталь или коррозионно-стойкая сталь.

Часто насосы пропариваются, температура пара при этом может достигать 300°С. Такое сочетание – экстремально низких температур окружающего воздуха и высоких температур пара – предъявляет наиболее высокие требования к материалу насоса (и, соответственно, увеличивает его стоимость), поэтому рекомендуется либо устанавливать насос в отапливаемом помещении, либо пропаривать менее горячим паром (120…200°С).

Некоторые двухвинтовые насосы выполняются в картриджном исполнении, предполагающим внутренний корпус. При такой конструкции винтовая пара, внутренний корпус, синхронизирующие шестерни, подшипники и торцовые уплотнения могут быть извлечены из корпуса в собранном виде. Это позволяет произвести быстрый осмотр без демонтажа трубопроводов и привода насоса. При корректной эксплуатации внешний корпус насоса не подвергается изнашиванию, так как возможные биения вала воспринимают подшипники, торцовые уплотнения и внутренний корпус. Однако и при классическом (однокорпусном) исполнении многие производители стараются помочь заказчикам минимизировать затраты на ремонт и модернизацию оборудования: отверстия корпуса под винты, как правило, могут быть расточены под больший диаметр. Износ касается как корпуса насоса, так и винтовой пары. При правильном подборе новой винтовой пары можно достигнуть новых параметров работы либо сохранить КПД на высоком уровне.

Роторная часть. Роторная часть двухвинтового насоса включает два вала и винтовые пары. Винты могут быть изготовлены вместе с валом как одна деталь, существуют также конструкции со съемными винтами, при которых винт устанавливается на вал и фиксируется с помощью шпоночного соединения. Разъемная конструкция обладает рядом преимуществ:

  • возможность комбинирования различных материальных исполнений винтов и валов позволяет выбрать оптимальное сочетание с точки зрения прочностных характеристик и стойкости против коррозии;
  • из-за технологических ограничений по расточке вала совместно с винтом разборная конструкция, как правило, более компактная, что позволяет минимизировать прогибы вала и, соответственно, повысить срок службы торцовых уплотнений, синхронизирующей передачи и подшипников;
  • валы и винты изготавливаются, как правило, из кованой стали, в которой качество материала ухудшается от поверхности к центру. Конструкция съемного винта как раз предполагает удаление материала из центра заготовки.

Разъемная конструкция винтов и валов при этом предъявляет высокие требования к качеству и технологии производства, поэтому большое внимание стоит уделять надежности поставщика и его референциям.

Предохранительный клапан. Встроенный предохранительный клапан защищает насос от работы при давлениях, превышающих расчетное, путем переброса потока с нагнетания на всасывание насоса. Клапан не служит для регулирования давления, он, как правило, одностороннего действия (впрочем, бывают и двунаправленные исполнения). Для относительно больших насосов (подачей свыше 2500 м3/ч) предохранительные клапаны часто не встраиваются в насос, а монтируются на трубопроводной обвязке. Такие решения (учитывая также стоимость трубопроводной обвязки и работ по ее установки) являются довольно затратными, поэтому часто прибегают к альтернативному решению по защите насоса – контролю параметров систему по сигналу от датчиков давления, установленных на трубопроводе нагнетания.

Обогрев насоса. Обогревать насос необходимо при перекачивании горячих сред, а также для поддержания среды в жидком состоянии (например, мазута). Обогрев может быть осуществлен посредством встроенного в корпус змеевика охлаждения (путем подачи в него горячей жидкости или пара) либо путем внешнего электрического обогрева корпуса насоса, включая предохранительный клапан и камеру торцовых уплотнений.

Уплотнение валов насоса. Для уплотнения валов двухвинтовых насосов могут применяться сальниковая набивка или торцовые уплотнения. Сальниковая набивка имеет ограниченное применение, в современных двухвинтовых насосах все чаще используются одинарные и двойные торцовые уплотнения. Двухвинтовой насос оснащается четырьмя торцовыми уплотнениями. Как известно, торцовые уплотнения – наиболее часто выходящие из строя и заменяемые части насоса, их стоимость является особенно критичной для заказчиков. Поэтому производители насосов стараются применять торцовые уплотнения наиболее простой и надежной конструкции.

При выборе типа торцового уплотнения следует руководствоваться также локальными стандартами безопасности. В таблице приведены требования безопасности к насосам, устанавливаемым во взрывоопасных зонах, и насосам, перекачивающим вредные вещества, в соответствии с ОСТ 26-08-2023–96 [1].

Зона установки насоса Группа взрыво- и пожароопасной смеси паров жидкости с воздухом категорий IIА и IIВ Не взрыво- пожароопасные жидкости
Т4 Т3, Т2, Т1
В-Iа, В-Iб, В-Iг, В-IIа Двойное торцовое уплотнение Одинарное торцовое уплотнение

с вспомогательным уплотнением

Одинарное торцовое уплотнение
П-I, П-II Одинарное торцовое уплотнение

Под двойным торцовым уплотнением понимается уплотнение, которое компонуется из двух одинарных торцовых уплотнений, а под вспомогательным уплотнением – дополнительное уплотнение (кроме сальникового), препятствующее выходу в окружающую среду утечки перекачиваемой жидкости, а также барьерной или буферной жидкости. Применение одинарных торцовых уплотнений, как правило, не предусматривает весьма дорогостоящих планов промывки 52 и 53A/B/C, что может повлиять на выбор зоны установки насоса при проектировании.

Опции монтажа. Существую различные варианты установки двухвинтовых насосов. Наиболее часто используется горизонтальный монтаж с патрубком всасывания, расположенным сбоку, и патрубком нагнетания, расположенном вверху. При такой установке винты насоса и торцовые уплотнения остаются смоченными даже при экстренном останове. В случае ограничения по месту установки, насосы также могут быть смонтированы вертикально, при этом патрубки всасывания и нагнетания располагаются «в линию».

Выводы. Перечисленные критерии и опции являются одними из основных при учете выбора конструкции двухвинтового насоса. Правильный подбор насосного оборудования позволит существенно снизить как закупочную стоимость, так и общую стоимость владения, в том числе при перекачивании одним насосом различных жидкостей и изменяющихся рабочих параметров, а также, что особенно важно для насосов объемного типа, обеспечить максимальную безопасность обслуживающего персонала.

Список литературы

  1. ОСТ 26-06-2028–96. ССБТ. Насосы общепромышленного назначения. Требования безопасности.