Come scegliere una pompa ad alta velocità API 610 OH6: considerazioni di flusso, testa e NPSH

Come scegliere una pompa ad alta velocità API 610 OH6: una guida tecnica pratica

La scelta della giusta pompa centrifughe ad alta velocità a ingranaggio integrato API 610 OH6 è una decisione che determina l'affidabilità dell'impianto, il consumo di energia e il carico di manutenzione per decenni. Process engineers who have managed pump populations in operating refineries know that a selection error discovered during commissioning costs ten times more to correct than one caught during design reviewQuesta guida si basa sull'esperienza pratica sul campo nella specificazione, messa in servizio e risoluzione dei problemi delle pompe OH6 in unità di idroelaborazione, treni di dolcificamento del gas e stazioni di trasferimento petrolchimiche.Ogni sezione contiene domande reali che gli ingegneri sul campo hanno posto durante i progetti, con risposte che riflettono il giudizio acquisito sia dalle installazioni di successo che dalle lezioni apprese dai fallimenti.

1Comprendere l'architettura delle pompe API 610 OH6

Una pompa API 610 OH6 è una pompa centrifughe a ripiego a uno stadio, verticale in linea, con ingranaggio integrato.La sua caratteristica distintiva è un cambio ad incremento di velocità integrato direttamente nell'alloggiamento della pompa, moltiplicando la velocità di ingresso del motore (tipicamente 1.500-3.600 giri al minuto) per velocità della girante da 8.000 a 25.000 giri al minuto.Questa moltiplicazione della velocità consente a un singolo stadio del girante di generare una testa differenziale che altrimenti richiederebbe da tre a cinque stadi in una pompa a canna orizzontale convenzionale a più stadiIl risultato è un'impronta verticale compatta, spesso con un'area di pavimento inferiore del 70% rispetto a un'unità a più fasi di carico equivalente, che la rende la scelta preferita per i flussi ridotti.servizi ad alto costo in cui lo spazio del terreno è limitato e l'accessibilità per la manutenzione è valutata.

La scatola di marcia è una serie di ingranaggi elicoidali a uno stadio lubrificati da una pompa d'olio azionata da un albero integrato con uno scambiatore di calore raffreddato ad aria.Il motore è montato direttamente sull'albero del pignone ad alta velocità, appesi al cuscinetto interno, eliminando i requisiti di accoppiamento e allineamento separati di una configurazione di cambio autonoma.Questa semplicità di progettazione è il motivo principale per cui le pompe OH6 raggiungono una maggiore affidabilità rispetto ai treni pompatori ad alta velocità accoppiati separatamente.

D: Il nostro team di progetto sta discutendo tra una pompa a ingranaggi integrati API 610 OH6 e una pompa orizzontale OH2 con una scatola di cambio separata.

Sulla base dei dati di manutenzione raccolti da tre raffinerie che operano impianti paralleli di entrambe le configurazioni per un periodo di dieci anni,la configurazione OH6 mostra costantemente un calo del 30-40% degli eventi di manutenzione non pianificatiIl fattore principale sono i guasti legati all'accoppiamento nella disposizione della cabina di cambio OH2+: disallineamento dell'accoppiamento, stanchezza dello spaziatore,e lo scioglimento del bullone di accoppiamento rappresentano oltre il 40% delle fermate non programmate nei treni ad pompa ad alta velocità accoppiati separatamenteLa progettazione integrale OH6 elimina completamente queste modalità di guasto.la configurazione verticale dell'OH6 si traduce in un involucro a ventilazione automatica che elimina la necessità di ventilazione manuale durante l'avvio, una fonte comune di danni a secco nelle pompe orizzontali ad alta velocità in cui gli operatori possono dimenticare di aprire le valvole di ventilazione prima di avviare.

2. Definire i requisiti di portata: il metodo a tre punti

Una precisa definizione del flusso richiede di stabilire tre punti di funzionamento distinti: flusso stabile continuo minimo, flusso di funzionamento normale e flusso nominale.L'API 610 stabilisce che la pompa deve funzionare senza superare i limiti di vibrazione tra il flusso stabile continuo minimo e la fine della curva, con la regione di funzionamento preferita che si estende dal 70% al 110% del flusso del punto di migliore efficienza.

Per le pompe OH6, la portata pratica è di circa 3-300 m3/h. Al di sotto di 3 m3/h, i passaggi della girante diventano poco pratici, creando il rischio di intasamento anche da piccole dimensioni di tubo.Oltre 300 m3/h, l'equazione economica si sposta verso le pompe a più stadi divise orizzontalmente che offrono un'efficienza superiore a velocità specifiche più elevate.

Quando definiscono il flusso nominale, gli ingegneri di processo esperti includono un margine del 10-15% superiore alla capacità attuale dell'impianto per accogliere il futuro debottlenecking.visto ripetutamente nelle raffinerie più vecchie, quando un progetto di ampliamento della capacità si blocca perché le pompe esistenti non sono in grado di soddisfare il nuovo fabbisogno di flusso e non è disponibile alcuna superficie di riserva per unità più grandi.

D: La nostra scheda di dati della pompa mostra un flusso nominale di 85 m3/h, ma il calore del licenziante del processo e il bilancio del materiale indicano un flusso normale di 72 m3/h.?

Un margine del 18% è in realtà prudente piuttosto che eccessivo per i compiti di processo continuo.e la prassi industriale per i servizi di raffinazione si applica comunemente 10-20% al di sopra del flusso normaleLa considerazione fondamentale è se il punto di massima efficienza della pompa è posizionato in modo appropriato rispetto al punto di funzionamento normale.Se la BEP della girante selezionata scende a circa 80-90 m3/h, allora il flusso normale di 72 m3/h è compreso tra l'80 e il 90% del BEP, ben all'interno della regione di funzionamento preferita, e il flusso nominale di 85 m3/h è appena al di là del BEP, dove l'efficienza rimane elevata.Il costo del margine è minimo: una pompa con portata nominale di 85 m3/h costa in genere meno del 5% in più di una pompa con portata di 72 m3/h,Infatti, il costo di sostituzione di una pompa di dimensioni ridotte durante una futura ristrutturazione può superare dieci volte il premio quando l'accesso alla costruzione, la mobilitazione delle gru e i tempi di fermo della produzione sono presi in considerazione.

3. Calcolo della testa differenziale: oltre la curva della pompa

La testa differenziale è l'energia netta aggiunta al fluido, espressa in metri di colonna liquida.contabilizzazione dell'elevazione statica, differenze di pressione dei recipienti e tutte le perdite di attrito attraverso i componenti dei tubi e le apparecchiature in linea.

Per le pompe OH6, la portata pratica della testa si estende da circa 200 m a 2.500 m, ottenuta attraverso la combinazione del diametro della girante e della velocità di rotazione regolata dalle leggi di affinità.Perché la testa aumenta con il quadrato della velocità della punta della girante, raddoppiando la velocità di rotazione attraverso il cambio quadruplica la testa generata allo stesso diametro della girante.

Un'osservazione fondamentale che gli ingegneri di progettazione spesso trascurano è l'effetto dell'invecchiamento dei tubi sulle perdite di attrito.Le tubazioni di processo in acciaio al carbonio in servizio di idrocarburi sviluppano una rugosità interna di 0Questo aumento della rugosità può aumentare la testa di attrito del 40-60% rispetto ai calcoli dei nuovi tubi.Gli ingegneri che si basano su ipotesi di nuovi tubi scoprono che dopo diversi anni di funzionamento le loro pompe non riescono più a raggiungere la pressione di scarico richiesta, nonostante la corretta dimensione sulla carta al momento della selezione.

D: La testa dinamica totale calcolata al flusso nominale è di 1.380 m. Il fornitore della pompa propone una configurazione a due fasi su un cambio comune anziché una progettazione a un solo stadio a velocità più elevate.Che cosa motiva questa raccomandazione?

Il produttore sta probabilmente ottimizzando per la velocità specifica della girante e la stabilità dinamica del rotore.la girante dovrebbe funzionare ad una velocità di punta molto elevata che spinga la velocità specifica in un intervallo in cui l'efficienza idraulica scende significativamente e il diametro dell'occhio della girante diventa molto piccolo, creando sfide di fabbricazione e rendendo la girante sensibile a piccole variazioni di fusione.ogni stadio opera ad una velocità specifica più favorevole con una migliore efficienza e una geometria della girante più robustaLa scatola di cambio azionerà semplicemente due alberi di pignoni invece di uno, con l'orientamento della girante back-to-back che fornisce un equilibrio di spinta assiale intrinseco.L'aumento dei costi d'investimento è di circa il 20-25% per il rivestimento aggiuntivo e la tubazione interfaccia., ma il guadagno di efficienza di 5-8 punti percentuali a questa velocità specifica in genere recupera il costo aggiuntivo attraverso risparmi energetici entro due o tre anni di funzionamento continuo.Per una pompa da 200 kW in funzione 8,000 ore all'anno, un miglioramento dell'efficienza del 6% consente di risparmiare circa USD 9.600 all'anno a USD 0.10/kWh.

4Analisi NPSH: il margine che impedisce la cavitazione

L'analisi della testa di aspirazione positiva netta è l'unica fase più critica nella selezione della pompa OH6, poiché le rotelle ad alta velocità che funzionano a 15.000-25,I motori a velocità più bassa sono intrinsecamente più suscettibili alla cavitazione rispetto ai motori a velocità lenta a causa di velocità localizzate più elevate all'occhio del motore che creano pressioni statiche più basse..

L'API 610 specifica un rapporto minimo di margine NPSH di NPSHa diviso per NPSHr maggiore o uguale a 1,3 per i servizi di idrocarburi e 1,5 per i servizi basati sull'acqua.molti utilizzatori finali specificano un rapporto minimo NPSHa/NPSHr pari a 1.5 per tutti i servizi, aggiungendo un margine assoluto aggiuntivo di 1,0 m oltre il requisito API.Questo approccio conservativo riflette l'esperienza di campo secondo cui le rotelle di pompe ad alta velocità possono subire erosione da cavitazione ai margini NPSH che sarebbero adeguati per le pompe a bassa velocità., perché la frequenza di passaggio della girante più elevata significa che i cicli di collasso delle bolle di cavitazione si accumulano più rapidamente per ora di funzionamento.

Quando la NPSHa nella flangia di aspirazione della pompa è insufficiente, la soluzione più efficace per le pompe OH6 è un stadio di induzione assiale montato a monte della girante principale.L'induttore agisce come un booster a bassa testa che pressioni il fluido in entrata sufficientemente per sopprimere la cavitazione presso l'occhio principale della girante, in genere riducendo la NPSHr del 40- 60%.

D: Abbiamo misurato un NPSHa di 3,8 m al livello minimo del serbatoio, ma il NPSHr indicato dal fornitore è di 3,2 m al flusso nominale.19Il gruppo di progetto vuole elevare il recipiente di aspirazione di 2 m. C'è un'alternativa meno costosa?

L'elevazione di un recipiente di aspirazione di 2 m in un impianto esistente è costosa, richiede modifiche strutturali in acciaio, regolazioni dei supporti per tubi,e lunghi periodi di chiusura, con costi totali che raggiungono facilmente i 200 USDL'obiettivo è quello di migliorare l'efficienza dei sistemi di trasporto e di migliorare l'efficienza dei sistemi di trasporto.Verificare se la correzione per idrocarburi NPSHr si applica al fluido di processoL'Istituto idraulico fornisce fattori di correzione per i fluidi con rapporti di densità vapore/liquido inferiori a quelli dell'acqua,e idrocarburi leggeri possono vedere riduzioni del NPSHr del 30-50% – potenzialmente portando il NPSHr corretto a 1Opzione due: aggiungere un induttore alla pompa, che costa circa 3.000-5.000 USD.000 come opzione di fabbrica e riduce il NPSHr a circa 10,3-1,6 m, raggiungendo un rapporto di margine superiore a 2.0Opzione 3: esaminare i tubi di aspirazione per individuare accessori inutili: una singola valvola di apertura parzialmente chiusa, un filtro di avvio temporaneo lasciato in posizione o un giunto di espansione di grandi dimensioni possono consumare 0,5-1.0 m di NPSHa che potrebbe essere recuperato attraverso semplici modifiche di tubazioni.Opzione due con l'aggiunta dell'induttore risolve oltre l'80% delle carenze del margine NPSH a una frazione del costo dell'elevazione del vaso.

5Selezione dei materiali per la compatibilità dei fluidi di processo

La classe di materiale della pompa deve corrispondere ai requisiti di corrosione, erosione e proprietà meccaniche del fluido di processo nell'intero intervallo di temperatura di funzionamento.L'API 610 definisce le classi di materiali standard da S-4 (acciaio inossidabile austenitico) a C-6 (12% di cromo), con leghe più elevate disponibili quando le condizioni di processo lo richiedono.

Per i servizi di idroprocessamento delle raffinerie, la conformità alla NACE MR0175/ISO 15156 è obbligatoria per tutti i fluidi di movimentazione delle pompe contenenti solfuro di idrogeno a pressioni parziali superiori a 0,3 kPa.Questo obbliga i componenti bagnati a durezza controllata a un HRC massimo di 22 per gli acciai a bassa lega, massimo HRB 100 per acciai inossidabili austenitici annelati in soluzione e richiede una documentazione completa di certificazione dei materiali, compresi i rapporti di prova di fabbricazione, l'identificazione positiva del materiale,e registri di prova della durezza per ogni parte a pressioneLe pompe consegnate senza questa documentazione non sono effettivamente conformi, indipendentemente dal materiale stesso.

Per i servizi ricchi di idrogeno a temperature elevate, Hastelloy C-276 (UNS N10276) fornisce la migliore combinazione di resistenza alla fragilità dell'idrogeno e resistenza ad alte temperature.La composizione nichel-cromo-molibdeno forma una struttura austenitica cubica stabile centrata sulla faccia che resiste intrinsecamente alla diffusione di idrogeno, una proprietà non condivisa dall'acciaio inossidabile 316L, che può subire una perdita di duttilità misurabile al di sopra di 260°C a pressioni parziali di idrogeno superiori a 20 bar.

D: Le specifiche del nostro progetto richiedono parti bagnate in acciaio inossidabile duplex per una pompa di reiniezione dell'acqua prodotta..L'aggiornamento vale il premio del 15%?

Per il servizio di reiniezione di acqua prodotto, l'aggiornamento del super duplex è fortemente giustificato.mentre UNS S32750 raggiunge PREN superiore a 40- nell'acqua prodotta con concentrazioni di cloruro in genere comprese tra 20 000 e 150 000 mg/l e temperature comprese tra 60 e 90 °C,L'acciaio inossidabile duplex standard funziona vicino al suo limite di cloruro sicuro e può subire corrosione da buche nei difetti superficialiSuper duplex offre un margine di sicurezza considerevole, in particolare all'estremità superiore della gamma di concentrazione e di temperatura dei cloruri.Dal punto di vista del ciclo di vita, il premio di capitale del 15% si traduce in circa 4.000-8.000 USD per una tipica pompa OH6.000 in caso di fermo di produzione, mobilitazione di gru, e spese di accelerazione di emergenza sono inclusi.Abbiamo standardizzato su super duplex per tutti i servizi di acqua e acqua di mare prodotti sulla base di questa analisi.

6Selezione meccanica delle guarnizioni e configurazione dei cuscinetti

L'arrangiamento meccanico della tenuta per una pompa API 610 OH6 segue le linee guida API 682, con il tipo di tenuta e il piano di tubazione selezionati in base alle proprietà del fluido di processo, alla temperatura di funzionamento,e requisiti di emissionePer i servizi di idrocarburi, la configurazione più affidabile è una sigillatura a cartuccia a doppia pressione con sistema di fluidi di barriera del piano API 53B o del piano 54,che isola completamente il fluido di processo dall'atmosfera e fornisce una, fluido di barriera a temperatura controllata per le facce delle guarnizioni.

La selezione dei cuscinetti per l'operazione ad alta velocità richiede una particolare attenzione: i cuscinetti radiali devono essere di tipo di giornale a piattaforma inclinabile piuttosto che di manicotti a geometria fissa,perché i cuscinetti a piattaforma inclinabile eliminano la rigidità accoppiata che produce l'instabilità del vortice di olio, una vibrazione autoeccitata distruttiva che può svilupparsi in pochi secondi ad alte velocità di rotazioneIl cuscinetto di spinta deve essere un cuscinetto di inclinazione a doppia azione, dimensionato per la spinta assiale netta della girante più qualsiasi spinta aggiuntiva fornita dall'induttore, se installato.Sensori di temperatura RTD incorporati sia nei cuscinetti radiali che nei cuscinetti di spinta, collegati al sistema di controllo dell'impianto con segnali di allarme e di accensione, sono la prassi standard per tutti gli impianti OH6, poiché il guasto del cuscinetto a 20,000 giri al minuto passa dall'aumento della temperatura iniziale a danni catastrofici in meno di 30 secondi.

D: Il nostro team di manutenzione vuole eliminare il sistema di supporto del sigillo pressurizzato a azoto del Piano 53B perché la sostituzione della bottiglia di azoto e la manutenzione del regolatore di pressione creano carichi di lavoro ricorrenti.Possiamo passare al Piano 54 con un sistema di circolazione di olio pulito??

Il piano 54 è in realtà il percorso di aggiornamento preferito proprio per questo motivo. and the barrier fluid is static except for thermo-siphon circulation—meaning any nitrogen leakage through the bladder or pressure regulator drift results in reduced barrier pressure and potential process fluid ingress to the seal facesIl piano 54 sostituisce il serbatoio statico pressurizzato con una pompa esterna che fa circolare continuamente olio di barriera puro attraverso la camera di tenuta ad una pressione e una portata controllate.generalmente utilizzando una piccola pompa a ingranaggi azionata dall'albero della pompaLa circolazione continua consente un raffreddamento molto più efficace delle facce delle guarnizioni, rimuove i detriti di usura dalla camera di guarnizione ed elimina completamente il sistema di azoto.Il costo di capitale aggiuntivo di circa USD 2Il consumo di nitrogeno per bottiglia, la riduzione della manutenzione delle guarnizioni e la durata più lunga delle guarnizioni, generalmente consentono di recuperare tra i 3000 e i 3000 euro per pompa nel primo anno.Sulla base di una popolazione di 24 pompe OH6 convertite dal piano 53B al piano 54 in una raffineria del sud-est asiatico, il tempo medio tra le sostituzioni delle guarnizioni è passato da 28 a 52 mesi, raddoppiando quasi la durata della guarnizione, eliminando al contempo ogni manutenzione del sistema di azoto.