Кавитационные проблемы шнекоцентробежных насосов в нефтепереработке

Авторы: А.И. Швиндин, В.А. Берестовский (ООО «Сумский машиностроительный завод»)

Опубликовано на портале «Химическая техника», ноябрь 2019

Номенклатура насосного оборудования нефтеперерабатывающих производств стран СНГ состоит, в основном, из консольных насосов. К началу 80-х годов ХХ века конструкции этих насосов отечественных производителей окончательно определились, и для подач более 200 м³/ч были приняты шнекоцентробежные насосы типа НКВ [1], типовая конструкция которых представлена на рис. 1.

К этому времени результаты научных исследований специализированных предприятий, например, НПО «ГИДРОМАШ» (Москва), Калужского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана, ОАО «ВНИИАЭН» (г. Сумы), четко показали существенное улучшение кавитационных характеристик шнекоцентробежных ступеней по сравнению с характеристиками центробежных без изменения их напорных и энергетических характеристик. В этих случаях увеличение значений кавитационного коэффициента быстроходности С_кр с 1000 до ~3000 позволяет снизить значения допускаемого кавитационного запаса насоса в ~4 раза со всеми вытекающими отсюда технико-экономическими преимуществами. Применение шнеков позволило сумским насосостроителям создать в 1970–1980-х годах большую группу питательных и конденсатных насосов с улучшенными кавитационными характеристиками. Всего насчитывается более 50 типоразмеров, в том числе конденсатных (n = 1500 об/мин) с подачей от 30 до 2200 м³/ч, питательных (n = 3000 об/мин) с подачами 580, 850 и 1650 м³/ч и потребляемой мощностью до 8000 кВт, нефтяных магистральных (n = 3000 об/мин) с подачами от 125 до 710 м³/ч. Насосы всех перечисленных типоразмеров успешно эксплуатируются уже более 30 лет.

Следует отметить, что эксплуатация шнеков практически всегда происходит при различных стадиях кавитации, сопровождающейся пульсациями потока, повышенным шумом, вибрацией подшипниковых опор и корпуса насоса. Такое явление определено самой гидродинамикой течения в шнеке, у которого лопасти спрофилированы уже с увеличенным углом атаки для обеспечения требуемого напора при расчетной подаче. Соответственно, расчетный режим работы шнека по подаче составляет 0,95Q_опт, (здесь Q_опт – режим максимального КПД). Отмечено, что при работе на частичных подачах на входе шнекоцентробежной ступени появляются интенсивные обратные течения, которые могут принимать нестационарный характер и вызывать низкочастотные автоколебания. В этом плане наиболее тяжелой областью работы является режим в диапазоне подач (0,5…0,7)Q_опт. Здесь одновременно с достаточно высокой интенсивностью вибрации явно выражаются интенсивные автоколебания. Низкочастотные автоколебания в свою очередь вызывают повышенную вибрацию подшипниковых опор и корпуса насоса.

Следствием интенсивных кавитационных явлений в шнекоцентробежных ступенях энергетических насосов является кавитационная эрозия лопастей шнека (рис. 2), которая является определяющей и наиболее опасной. Наиболее достоверная оценка степени разрушения лопастей шнека от влияния различных условий выполняется в ходе ресурсных испытаний. Однако этот способ очень длительный и дорогостоящий.

В качестве оценки интенсивности кавитационного воздействия в практике многих исследований, например в ОАО «ВНИИАЭН» [2], основное применение получило измерение вибрации – общего уровня виброускорения в диапазоне частот от 10 до 20 000 Гц на наружной поверхности корпуса, в котором расположен шнек. При этом вибрационные характеристики определяются одновременно со снятием частных кавитационных. Достоинство этого метода – получение наглядной картины зависимости интенсивности разрушения от режимов работы при минимальном количестве разборок-сборок насоса и времени исследования. К недостаткам следует отнести то, что интенсивность изнашивания зависит не только от интенсивности кавитационного воздействия, но и от механических свойств материала шнека.

Многолетние исследования таким способом позволили отработать методику испытаний на одном режиме в пределах 100 ч с получением картины кавитационной эрозии, достаточной для анализа. В ходе исследований на экспериментальных установках и насосах в натурных условиях удалось выявить некоторые зависимости.

Влияние температуры перекачиваемой среды. По данным испытаний на воде конденсатных (t ≈ 60°С) и питательных насосов (t ≈ 200°С) отмечено, что с ростом температуры значение критического кавитационного запаса уменьшается. При t = 160°С значение виброускорения уменьшается более чем в 10 раз по сравнению с эксплуатацией на холодной воде (t = 20°С). Сравнение частных кавитационных характеристик, полученных на холодной и горячей воде, показывает, что характерный для холодной воды пик виброускорения практически исчезает при работе на горячей воде. Следовательно, уменьшаются и кавитационные разрушения, при этом существует мнение, что при определенной температуре кавитационное воздействие может быть полностью исключено [2].

Влияние вязкости перекачиваемой среды. Прямых сравнений опытных данных нет. Но многолетний опыт эксплуатации «холодных» нефтяных насосов подтверждает литературные данные о снижении кавитационно-эрозионной активности при работе на вязких жидкостях. Кавитационной эрозии шнеков при работе на нефти не наблюдалось [2].

Вероятно, по этим двум причинам в «горячих» шнекоцентробежных консольных насосах типа НКВ, работающих в нефтеперерабатывающих производствах даже с небольшими кавитационными запасами и в неоптимальной зоне по подаче, кавитационные разрушения шнеков отсутствуют, несмотря на повышенную вибрацию. А основной причиной повышенной вибрации таких насосов, снижающей их работоспособность, является длительная работа на частичных подачах, что приводит к следующему [3]:

• изменению силового воздействия на ротор насоса от изменения стационарных радиальной и осевой сил;
• изменению силового воздействия на ротор насоса от неравномерности потока на входе и на выходе рабочего колеса вследствие образования мощных «обратных токов», вызывающих возникновение нестационарных радиальных и осевых сил;
• возникновению силового воздействия на ротор насоса вследствие кавитационных явлений.

Первые два фактора достаточно хорошо исследовались в отечественном и зарубежном насосостроении, в результате чего выработаны практические рекомендации по предпочтительной (рекомендуемой) и кратковременно допустимой (не более 2 ч в сутки) зонах работы по подаче. Пределы этих значений назначались по уровню базового и предельно допустимого значения виброскорости на корпусах подшипников различных типоразмеров насосов. Как правило, режимы работы по подаче центробежных насосов отечественными нормативными документами определены в диапазоне (0,7…1,1)Q_опт. Стандарт АРI 610 Американского нефтяного института [4], введенный в качестве международного для насосного оборудования нефтеперерабатывающих производств, дает графические рекомендации, представленные на рис. 3 (Q – подача; H – напор; η – КПД; ν – виброскорость). На этом рисунке также показана физическая картина течения в рабочем колесе на малых подачах, когда образовываются мощные «обратные токи» на его входе и на выходе.

Однако кавитационный аспект работы таких насосов на недогрузочных режимах (частичных подачах) в специализированной литературе мало освещался и требует отдельного рассмотрения. Внешние проявления кавитации и обратных токов на входе в рабочее колесо на недогрузочных режимах практически одинаковы: пульсации, шум, повышенная вибрация – и их источники трудно разделимы. Наличие кавитационных явлений можно определить только по замерам каких-либо характерных параметров, например виброускорения, в частотном диапазоне 1000…20 000 Гц. Тем не менее, рассматривая работу шнекоцентробежной ступени, следует отметить, что эксплуатация шнеков практически всегда происходит при различных стадиях кавитации, что приводит к увеличению нестационарной нагрузки на ротор, особенно при малых подачах. При работе на малых подачах в шнеке, кроме развитой кавитации на лопастях, в граничной зоне противотока и активного потока дополнительно образуется значительное вихреобразование, и опять же с явлениями кавитации.

Исследованию кавитационных явлений в шнекоцентробежной ступени на недогрузочных режимах уделялось большое внимание при создании специальных топливных насосов для авиации и космической техники [5]. Практически все исследования основывались на физическом эксперименте – визуализации потока в модельном насосе в стробоскопическом освещении при различных режимах работы. Обработка фото- и видеосъёмок течения в шнеке при различных режимах работы по подаче, измерение полей скоростей и давлений перед шнеком дали возможность представить физическую картину течения в шнеке и разработать математическую модель этого течения на частичных подачах. Результаты теоретических расчетов, выполненные по этой модели, показали достаточно хорошую сходимость с экспериментальными данными. В дальнейшем созданная математическая модель широко использовалась в работах других авторов при определении геометрических размеров шнека и его кавитационных качеств.

В конечном итоге физическая картина течения в шнеке на недогрузочных режимах, представленная на рис. 4, была теоретически обоснована, экспериментально подтверждена, и по ней были сделаны следующие выводы [5]:

• при работе шнекоцентробежного насоса на подачах Q ≤ 0,5Q_опт в каналах шнека появляются обратные токи (противотоки); возникают они на периферии входа в лопасть, оттесняют основной поток к оси и закручивают его;
• поток в шнеке существенно неосесимметричен, поэтому на границах между прямым потоком и обратным течением образуются локальные зоны с пониженным давлением.
• образование кавитационной каверны происходит в локальных зонах на периферии входных кромок;
• происходит нагрев перекачиваемой жидкости;
• образуется вихревой шнур во входном патрубке, заполненный газом и паром;
• возникают автоколебания.

В отличие от режимов с классическими осевыми рабочими колёсами режимы с противотоками для шнеков часто являются рабочими, т. е. эксплуатация шнеков практически всегда ведётся на разных стадиях кавитации и сопровождается дополнительным шумом, пульсациями потока, вибрацией корпуса и эрозионным износом. При снижении давления на входе в насос кавитация, существующая в зоне обратных токов, интенсивно развивается, в прямом потоке в каналах шнека кавитационная зона увеличивается и сопровождается уменьшением интенсивности обратных токов вплоть до их полного исчезновения; после этого происходит полный срыв.

Все эти исследования проводились на холодной (t ≈ 20°С) воде. Изменится ли картина течения при работе на горячем (t = 360…400°С) нефтепродукте? Вероятно, да, но кавитационные явления как-то будут присутствовать, и косвенное подтверждение этому факту имеется. Неоднократно при технологических пусках установок при работе на режимах 0,5Q_опт и меньше консольные насосы НКВ 600/320 со шнеком имели более высокую виброактивность, чем без шнека. И при длительной работе на таких режимах от повышенной вибрации происходило самоотвинчивание крепежа шнека и рабочего колеса. Конечно, кавитационные явления в шнеке не являются определяющими в повышении вибрации при работе насоса на частичных подачах. Тем не менее, рекомендуются следующие пути борьбы с ними:

• в первую очередь – обеспечение режимов работы по подаче в рекомендуемых пределах;
• увеличение диаметра и укорочение подводящего трубопровода;
• контроль геометрии лопастей шнека при изготовлении;
• обеспечение чистоты поверхности лопастей не менее Ra 3,2;
• применение шнеков со «ступенькой» на тыльной стороне лопасти [6];
• обеспечение зазора в щелевом уплотнении в рекомендуемых пределах.

Список литературы

1. Рекомендации по выбору динамических насосов. Насосы центробежные нефтяные. ОАО «ВНИПИНефть». – М. – 1999. –77 с.
2. Визенков Г., Твердохлеб И., Куценко В., Иванюшин А., Авдеенко В. Насосы специального и общепромышленного назначения с предвключенными осевыми колесами//Насосы и оборудование. – 2008. – № 5. – С. 46–50.
3. Швиндин А.И. Центробежные насосы для нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ООО «НТЦ при Совете главных механиков», 2012. – 152 с.
4. Стандарт ISO/CD 13709/API Центробежные насосы для нефтяной, химической с тяжелыми условиями работы и газовой промышленности. Международный стандарт, 8-е издание. Перевод с английского. – 1220 L-Street, Northwest, Washington, D.C. 2005. – 262 с.
5. Шапиро А.С. Структура реального течения в центробежных и осевых насосах. – М.: МГИУ. – 2004. – 280 с.
6. А.с. 731075 (СССР). Предвключенное осевое колесо.