山东博泵科技股份有限公司
SHANDONG BOSHAN PUMP SCIENCE AND TECHNOLOGY CO.,LTD.

摘要：分析了API 610-2021第12版标准对采用轴向剖分泵体的限制，从第11版的三条增为五条的条款。对新增加的两条温度限制的备注作了说明。超出上述限制的轴向剖分泵已成功使用，特别是较高出口压力和较低相对密度介质管道输送泵的应用^[1]。分析了为什么泵体轴向剖分的BB3型泵优于径向剖分的BB5型泵？如何保证轴向剖分面密封的可靠？摘出了第12版判断高能量泵的计算式。引用工程数据表明，国内外BB3型泵已大幅度突破出口压力限制。

关键词：API 610-2021；BB3型泵；轴向剖分面；高能量泵

Interpretation of the items of API 610-2021 standard on high-energy BB3 pumps

He Beihuang，Feng Shaosheng，Luozhi，Luo Youru

（HUNAN TANE OCEAN PUMP CO.,LTD，Hunan，pin jiang, 414500, China）

Abstracts：The restrictions on the use of axially split pump case in the API 610-2021 12th edition standard, and added five clausesfrom three in the 11th edition were Analyzed.The remarks on the two newly added temperature limits were explained. Axially split case have been used successfully beyond the limits given above, particularly for pipeline applications at higher discharge pressure and with lower relative density.Why the axially split BB3 pump is better than the radially split BB5 pump and how to ensure the reliability of the axially split surface seal were Analyzed. The calculation formula for judging high-energy pumps in the 12th edition was extracted. The quoted engineering data shows that BB3 pumps at home and abroad have greatly broken the discharge pressure limit.

Keywords：API 610-2021; BB3 type pump; axially split surface; high-energy pumps

API 610标准第9~11版对采用轴向剖分泵体（BB1和BB3型泵）一直有三条限制(泵送液体的温度、比重和出口压力)。但第12版有了较大变化，扩展为五条规定，在原6.3.9 a)条款，泵送温度为400℉（200℃）或更高的基础上，删除“如果可能有热冲击，宜考虑较低的温度限制”(英文版此处使用"should", 该版前言明确：使用"should"表示建议，并非强制要求，"shall"才表示"应当")。

第12版条款6.3.12规定不能超200℃或更高，第11版是不能超200℃或更高，如可能有热冲击，温度限制宜更低。新增加的“注1：超出上述限制的剖分式泵体的泵已成功使用，特别是在较高压力和较低密度的管道输送泵的应用”。注意用词“特别是”和“管道输送泵”。

为什么第12版特别强调轴向剖分泵体式管道输送泵在出口压力和液体密度限制上的突破，本文将列出国内外的实例，并分析为什么应优先选用轴向剖分的泵体？设计和制造上如何保证轴向剖分面密封的可靠。

API 610-2021标准第12版对采用轴向剖分泵体的五条限制及备注^[1]

6.3.12 除非另有规定，对于以下操作条件的任何一条，都需要采用径向剖分泵体的泵。

泵送温度为400℉（200℃）或更高；
在规定的泵送温度下相对密度小于0.7的液体；
额定出口表压高于1450 psi（10MPa，100 bar）的液体；
液体温度瞬变高于100 ℉（55℃）；
液体温度瞬变导致泵体的金属温度变化高于5 ℉（3℃）。

注1：超出上述限制的轴向剖分式泵体已成功使用，特别是在较高出口压力和较低相对密度（比重）下管道输送泵的应用。这类应用的成功，取决于设计压力和额定压力之间的富裕度、制造商在类似应用中的经验、泵体剖分面的设计和制造，以及用户在现场正确地重装泵体剖分面的能力。在超出上述限制的条件下规定轴向剖分泵体之前，请考虑这些因素。

注2：条款d）和e）适用于泵送不同温度的液体，可能引起泵的“热冲击”的操作情况。在启动期间，这些温度瞬变往往发生在通入工艺液之前，没有预热或冷却的泵上。条款 d）涉及泵送液体温度阶梯状变化。条款e）建议采用较慢的温度变化率，但仍然超过了泵体材料的温度变化率。

解读：条款d）是要求用户应规定液体温度的瞬变低于55℃，并用条款e）要求泵制造厂保证泵体的各处金属温度的变化应低于3℃，特别是上下泵体的金属温度之差应低于3℃，泵制造厂应提供泵体温度的监测仪表，备用泵应配置暖泵管路（含限流孔板、阀门），提交暖泵规程。API 610第12版新增的这两个条款，是为了防止泵体热变形不均匀、不对称。

为什么泵体轴向剖分优于径向剖分？如何保证轴向剖分面密封的可靠？

两级以上的多级泵有BB3、BB4和BB5三种泵型，BB3型的泵体是轴向剖分，BB4和BB5型的泵体是径向剖分，区别如下：

2.1 BB4型泵制造成本最低，但存在如下缺陷：

2.1.1 条款6.2.1，“在每级泵体密封面处有潜在的泄漏途径，这种泵型不能满足本标准中的所有要求，见表3”。解读：这是指节段式泵体的每段之间都要密封，总密封面积比BB5和BB3型大得多。

2.1.2 条款6.1.31，“泵应当设计成允许快速、经济地维护。主要件如泵体和轴承箱，应设计和制造成能确保组装时容易准确对中。可以通过使用台肩、定位销或键来实现”。解读：但BB4泵不能完全满足这条要求。

2.1.3 条款6.1.32，“除立式悬吊泵和齿轮驱动集装式泵以外，泵应设计成无需拆卸进口管和出口管，无需移动驱动机，就可拆缷转子或内部零件的形式”。解读：但BB4泵不能满足这条要求。

2.1.4 解读：泵检修转子时，要全部解体，叶轮再装在轴上进行动平衡，动平衡合格后，叶轮又要拆卸，各级叶轮才能与节段式泵体交替装配，不易保证对动平衡精度和同心度完全不降低。

2.1.5 解读：常规设计的叶轮为同向布置，需设置平衡鼓或平衡盘，用于温度较高工况，平衡装置故障率较高。

2.1.6 解读：叶轮出口设置导叶，BEP效率较高、但高效率区和运行范围较窄，适合的流量不大。

2.2 BB5型和BB3型泵的比较：

表1 BB5型泵（BB4芯包）和BB3型泵的比较

Table l Comparison of BB5 type barrel pump ( BB4 type Core pack ) and BB3 type pump

节段式芯包的BB5泵检修时，对维修人员的技术水平要求非常高。如图1所示，外筒体内径处有三处O形圈，这三处径向密封面对尺寸精度和表面粗糙度要求非常严格，如抽芯包时，芯包不水平，易划伤三处O形圈的密封面，造成了内泄漏还不易发现，尤其是图1右端的O形圈要密封的压力为泵的总压差。

图1 BB5型泵抽芯包时，要严防划伤三处O形圈密封面, 造成不易发现的内泄漏

Fig.1 When the BB5 pump core pack is pulled, it is necessary to prevent scratches on the sealing surfaces of the three O-rings, causing internal leakage that is not easy to find

图2 双层泵体BB5型筒袋泵拆检过程示意图

Fig.2 Schematic diagram of the disassembly and inspection process of the double-layer case BB5 type barrel pump

图2是双层泵体BB5型泵拆检过程示意图，整个芯包抽出后，按顺序逐级拆卸内件。图3是双层泵体BB5型泵芯包的拆检过程示意图。

图3 双层泵体BB5型泵芯包的拆检过程示意图

Fig.3 Schematic diagram of the disassembly and inspection process of the double-layer case BB5 pump core pack

整个拆装过程中，如维修技术水平不高，可能引起各动、静件之间的间隙的配合公差有所变化，再装配后的动平衡精度可能会降低。

如何保证轴向剖分面密封的可靠？

3.1 泵体壁厚和中开法兰的设计按ASME锅炉及压力容器规范第Ⅲ卷（核电设施） ^[2]

2014年我公司中标的中海油湛江海上平台注水泵的出口压力高达179bar.G，已超过API 610对BB3泵限制的79% 。为保证该泵的可靠，BB3泵体中开面法兰及连接螺栓的设计，按ASME锅炉及压力容器规范，第Ⅲ卷，第1册，NC分卷，NC-3400节，泵的结构形式为G型^[2]。考虑到这是我司首次制造超高压力的BB3泵，我们在计算出的中开面法兰厚度的基础上增加了30%，增加的材料费和机加工费比较有限，且更能适应采油后期注水压力的升高要求。

3.2 中开法兰密封面精磨后滚花为螺旋状浅网纹

加工关键点：采用龙门数控铣床精铣中开面时, 采用修光刃刀，保证零件的平面度≤0.04mm，表面粗糙度Ra≤3.2 μm。中开面加工的最后滚花工序，在中开面上划圆环状花纹，浅花纹向中开面的外侧，不贯通。

3.3 采用低压缩率、高回弹性能的进口密封垫片

图4 牌号KLINGERSIL-C4430的密封垫片照片

Fig.4 Photo of KLINGERSIL-C4430 gasket

牌号KLINGERSIL-C4430是压缩纤维垫片，3XA双面防粘接涂层保持垫片和法兰分离，减少安装和维修时间，在安装和检修时无须使用润滑油脂和密封剂。压缩率8%（ASTM F36A）；回弹率50~55%（ASTM F36A）。

3.4 加大水压试验压力与最高允许工作压力的比值

这是最直观可信的方法，能消除用户对BB3泵泵体轴向剖分面密封可靠性的担心。因为湛江海上平台注水泵的设计较保守，我公司大胆将水压试验压力与最高允许工作压力的比值从API 610标准规定的1.5增大为2。

国内外已大幅度突破API 610标准对BB3泵出口压力限制的现状

表2 国外主要泵制造公司BB3型泵产品技术参数表

Table 2 Technical parameters of BB3 pump

表2是从苏尔寿和福斯公司网站上BB3型泵产品的技术参数，苏尔寿的高工讲过：你们发表在水泵技术上的文章，湛江BB3型注水泵的出口压力达到了180 bar，我公司BB3型泵的出口压力更高，已高达220 bar左右。

水力方案的制定是离心泵设计的核心，水力方案失误，全盘皆输。十多年前国内外离心式多级泵的设计为追求高效率，单级扬程普遍较低。例如，秦山核电一厂引进国外BB3型给水泵在设计上就持这种观点^{[2] [3]}。

表3 秦山核电一厂引进国外BB3型给水泵的技术参数表^[3]

Table 3 The technical parameters of imported BB3 feed water pump in Qinshan No. 1 Nuclear Power Plant

此泵的优点是：比转速高，水力效率高；轴细，叶轮口环直径小，内泄漏量少，容积效率高，泵的节电效果好。但级数太多，单级扬程仅66.4m。因流量不大，单级扬程小，叶轮内外径都小，造成轴细。属典型的细长轴，挠性转子，可靠性不高，停泵一次造成的经济损失就消耗掉一年多的节电费。检修时发现口环与叶轮轮毂、级间节流套与叶轮轮毂、平衡鼓与平衡套等配合部位磨损严重，转子部件最大跳动已达0.095 mm，超过了0.05 mm的合格限值^[3][4]。

纵观国内外.BB3型泵的产品状况，我们发现十多年前重视泵效率的设计观点，已向牺牲一些效率，提高单级扬程，减少级数，增大湿临界转速，以获得可靠性更高的方向发展。吸取上述历史教训，我公司的BB3型泵逐步提高了单级扬程，湛江海上平台超高压注水泵的的技术参数见表4。

表4 中海油湛江海上平台超高压注水泵的技术参数表^[5]

Table 4 Technical parameters table of ultra-high pressure water injection pump of CNOOC Zhanjiang offshore platform

从表4可看出，单级扬程从表3的66.4m提高到185m，转速从表3的2950 r/min提高到3300 r/min，仅管扬程从表3的930m提高到1480m，级数从表3的14级降为8级。为满足海上平台超高压注水泵的苛刻要求，可靠性第一，我们将泵轴最粗直径取为92 mm，使泵轴的长径比从表1的33.44级降为24.5。转子中央的节流衬套的长度加长，增强了央段间衬套和轴套之间液膜的支撑作用(“洛马金”效应)，提高了转子的湿临介转速。

确保了泵运行可靠，该BB3型超高压注水泵自2015年6月投运以来已使用5年多，运行平稳正常，各项运行指标均达到合同规定值。中海油北京研究总院（CNOOC）在一批海上平台超高压注水泵的招标文件中，规定用BB3型泵。近几年，我公司在中海油海上平台项目上中标的均为BB3，典例实例如表5：

表5 天一奥星公司近年在中海油招标项目上中标的BB3型泵实例

Table 5. BB3 pump is a typical example of Tane winning the bidding in CNOOC in recent five years

国内对出口压力和温度不高、介质无危险的泵也采用价格高、检修难的BB5泵的现状待纠正

我司收到的招标文件中，不少多级离心泵的介质温度不高，又无危险性，即使泵的出口压力距离100bar还较远，仍然要求采用BB5型泵。最典型的是2018年12月得到的《中石油集团公司下游泵集中采购招标文件》有不少泵体径向剖分面的BB2型泵和BB5型泵，工作条件完全在API 610标准第11版对采用轴向剖分泵体的三条限制之内，但没有一个位号泵采用价格低、易检修BB3型泵。

原因是设计单位和用户担心单层泵体的BB3型泵轴向水平剖分面的密封不可靠。对国内外泵制造厂已有不少泵的出口压力已达到200bar左右，已成功运行10多年的信息不了解。这种保守的现状待纠正。

为什么要限制轴向剖分泵用于低密度液体输送

我司出口国外的一批低密度、低粘度、中高扬程泵中，用户泵数据表上规定用易检修的BB1或BB3泵，举例如下：

位号30-P-3001 A/B，C4进料泵，流量44 m³/h，扬程497 m，密度0.599，粘度0.17cP。

位号P-1301 A/B，轻石脑油输送泵，流量49m³/h，扬程549m，密度0.677，粘度0.27cP。

位号30-P-1002 A/B/C，C3进料泵，流量290m³/h，扬程292m，密度0.485，粘度0.391cP。

位号30-P-4001 A/B，C5进料泵，流量84 m³/h，扬程474 m，密度0.68，粘度0.31cP。

笔者认为，之所以限制轴向剖分泵用于低密度液体输送，是因低密度液体的粘度低，通过泵体剖分面微间隙泄漏的危险与液体的粘度成反比。因此，液体密度低和泵出口压力高，对轴向剖分面密封可靠性的影响相同。

为什么国内外石油工业两类主流泵通常规定选用泵体为轴向剖分的BB1泵和BB3泵

7.1 用户规定海上采油平台注水泵采用BB3泵

海上采油平台场地有限，寸土寸金，维修空间小，检修工作量要求少。因为注水泵工作压力高，输送介质为生产水，其中一部分为海水，一部分为地下采出水，是一种非常复杂的多组分水溶液，其盐、氯离子含量较高，还有部分颗粒，如果前端进水过滤处理不正常，水中含颗粒，有腐蚀磨蚀，要求泵的检修方便、迅速。BB3泵的泵体水平中开，进出口法兰又在下泵体上，打开上泵体就可检查或维修转子内件，不像BB5泵，转子需轴向抽出并解体，再重装，转子的动平衡精度和同心度可能会降低。

7.2 陆上输油泵通常规定首站用BB1泵，中间站用BB3泵

2019年我国原油对外依存度已升至70.8%，巨型油轮进港后，需通过管道输送至各炼厂；陆上长距离输油管绵延几百上千公里，中间加压站可能在荒凉的沙漠或峡谷中，输油泵的维修条件差，对泵的可靠性要求非常高。易检查或维修泵内件的BB1和BB3泵最适应这一要求。

我国从陆上进口的原油，全部用大口径输油管长距离输送, 具有连续、经济、安全的优势。其发展趋势是：输油流量能力大幅度提高，管道的口径不断增大；输油首站的供油泵选用大流量的BB1型泵，再分送到并联的几台BB3型泵。由于进口原油的品种多，粘度变化大，输油管的压降变化大，造成输油泵的扬程随之发生变化。另外，因输油泵设计、试验是按清水计算的，输油时的流量和扬程随原油的粘度而下降不同，因此，用户趋向于用BB1型泵不同台数串联来实现。

第12版首次提出的判断高能量泵的计算式^[1],[6]

8.3.3.4.2 有些高能量的集装齿轮箱驱动的泵或多级泵，泵关闭时的温度升得很高，在关死点试验不可行和/或不安全。温度升高值与功率密度密切相关，功率密度PD可以近似按下式计算：

PD = P_rated / (D_imp ² ×D_nozzle)

式中：PD是功率密度，MW/ m ³

P_rated是按水的每级额定功率，MW；D_imp是叶轮的额定外径，m;

D_nozzle是出口法兰的公称直径，对双吸单级泵, 是进口法兰直径，m。

PD的典型临界值是13 MW/m³，如果超过该临界值，则建议不要在泵关闭状态下运行进行性能试验。

解读：API 610-2020第12版首次提出了用功率密度PD计算式来判断是否属于高能量泵，并增加了为什么高能量泵在关闭点试验不可行和/或不安全的理由是：高能量泵关闭时运行的温度升得很高。

我公司设计制造的某国外项目20套大型BB3泵，平均每级叶轮水的额定功率是533kW=0.533MW，叶轮额定外径0.355m，泵出口法兰的公称直径0.25 m，按上式计算出功率密度PD为16.92MW/m³，大于临界值13MW/m³，属于高能量泵，正好可以严格按照API 610-2021第12版对性能试验的规定进行试验和检验，以便确保出口产品的可靠性。

API 610第12版编制组主席 R.L.Jones等“关于API 610第12版初稿的亮点”文章提出：“对于高能量泵，应按初始汽蚀余量NPSHi (第一个汽泡出现时) 来确定适当的NPSH余量，而不是按通常的NPSH3”^[6]。正式出版的API 610-2021标准降低了要求，首次新增的附件O《特殊用途离心泵》，条款O.3.4.1第一级叶轮的汽蚀试验是按NPSH3，还是按初生NPSH (NPSHi)，决定于对叶轮寿命的影响。上述观点是否正确，请读者分析。笔者认为：

(1)要测量第一个汽泡出现，需要昂贵的摄像机，NPSHi试验费用很高；

(2)刚开始汽化的液体到了压力升高区，即使几个汽泡破裂，产生的破坏力也极其小；

(3)即使是高能量泵，是否进行NPSHr试验应取决于差值 (NPSHa - NPSHr)。

我公司这20套高能量BB3泵，有效汽蚀余量NPSHa高达36.9m，不需要也未进行汽蚀试验，得到了国外设计单位和用户的认可。

我公司高能量BB3泵业绩较多，初步汇总在表6中：

表6我公司高能量BB3泵汇总表

Table 6 Technical parameters of high energy BB3 pump

关于界定高能量泵的条件，第12版比第11版完善，第11版是按每级扬程高于200m和每级功率超过225kW。影响面很大的API 610中译本的条款6.1.15，将“per stage”译成“单级”，使读者误认为是仅针对单级离心泵提出的高能量泵条件。第12版已将API 610的条款6.1.15删除。API 610中译本还有不少译文不准确，个别有误之处。可见，提高影响面很大的标准规范译本的质量很有必要。^[7]

参考文献

[1] API 610-2021,12th Edition, Jan. 2021, Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical, and Natural Gas Industries[S].

[2] ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section III,Division 1—Subsection ND,Class 3 Components Rules for Construction of Nuclear Facility Components.ND-3441.7, Design of Type G Pumps(Axially split double volute casings) [S],July 1,2010

[3] 郭逸等.辅助给水泵转子弯曲故障原因分析及改进措施[J].水泵技术,2007,(6),32-37

[4] 沈平.秦山一厂32万机组三菱BB3给水泵改造的选型设计[J].水泵技术,2014,(6),39-43

[5]冯少生,何备荒,丁垣利.超高压BB3型注水泵在海上采油平台上的成功应用[J].水泵技术,2018,(1):22-29

[6] Roger L. Jones, Frank Korkowski. Highlights of Draft API 610 12th Edition[J].45th Turbomachinery & 32th International Pump Users Symposia (TPS 2016),Houston.Sept.12-15,2016.

[7] API 610-2010,11th Edition, Sep. 2010, Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical, and Natural Gas Industries[S].

作者简介：罗志(1991- )，男，2013年7月毕业于湖南农业大学汽车服务工程专业本科，毕业后一直在湖南天一奥星泵业公司从事技术工作，工程师，历任公司项目经理、技术负责人至今。

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