Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Магистральные центробежные насосы для перекачки нефти по трубопроводам работают в условиях высоких давлений, больших расходов и непрерывной эксплуатации. На насосно-перекачивающих станциях (НПС) применяются насосы с подачей от 1250 до 10000 м3/ч и напором от 210 до 260 м, что соответствует мощности привода от 1600 до 8000 кВт. Частота вращения ротора составляет 2950-3000 об/мин.
В таких условиях подшипниковые узлы являются критически важными элементами, определяющими надежность и ресурс оборудования. Основные нагрузки на подшипники формируются из радиальных сил (от массы ротора и гидравлического дисбаланса) и осевых сил (от перепада давления на рабочем колесе). Правильный выбор типа подшипников, материала антифрикционного покрытия и системы смазки напрямую влияет на межремонтный интервал насосного оборудования.
В данной статье рассматриваются подшипниковые узлы и уплотнения магистральных насосов серии НМ, а также зарубежных аналогов - Sulzer BB3/MSD и KSB RPH/HPK, широко применяемых на трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов.
Насосы серии НМ (НМ 1250-260, НМ 2500-230, НМ 3600-230, НМ 7000-210, НМ 10000-210) представляют собой горизонтальные центробежные насосы с рабочим колесом двустороннего входа (типа double-suction). Корпус насоса - горизонтально разъемный, состоящий из нижней и верхней частей, с двухзавитковым спиральным отводом. Ротор вращается в двух опорах.
Подшипниковый узел насосов НМ 1250-260 и более крупных включает следующие элементы:
Две радиальные опоры - подшипники скольжения с баббитовой заливкой или фторопластовыми вкладышами, расположенные по обе стороны от рабочего колеса. Они воспринимают радиальные нагрузки от массы ротора и гидравлических сил.
Один опорно-упорный узел - радиально-упорный сдвоенный шарикоподшипник, воспринимающий остаточные осевые усилия, возникающие при пуске, остановке и переходных режимах работы насоса. В качестве опции для крупных типоразмеров предусмотрены упорные гидродинамические подшипники скольжения.
Радиальные подшипники скольжения в магистральных насосах НМ выполнены в виде разъемных вкладышей, устанавливаемых в корпуса подшипников (стойки), которые крепятся к нижней части корпуса насоса и фиксируются штифтами после выверки зазоров.
Рабочая поверхность вкладышей покрывается антифрикционным материалом. Баббит на оловянной основе (марки Б83 по ГОСТ 1320-74: содержание олова 82-85%, сурьмы 10-12%, меди 5,5-6,5%) является основным материалом для тяжелонагруженных подшипников скольжения магистральных насосов. Он обеспечивает хорошую прирабатываемость, способность поглощать мелкие абразивные частицы и формировать устойчивый гидродинамический масляный клин при работе на расчетных оборотах.
Фторопластовые вкладыши обладают преимуществом при аварийных режимах (кратковременное сухое трение), однако баббитовые вкладыши обеспечивают более низкий коэффициент трения в установившемся гидродинамическом режиме и остаются основным решением для крупных магистральных насосов.
Вкладыш подшипника скольжения насоса НМ представляет собой стальной корпус (обойму) с нанесенным слоем баббита. Внутренняя поверхность баббитового слоя обрабатывается шабрением или тонким растачиванием с обеспечением рабочего зазора между валом и вкладышем. Величина диаметрального зазора определяется диаметром шейки вала и конкретной конструкцией узла (типичные значения приводятся в руководстве по эксплуатации насоса). На внутренней поверхности вкладыша выполняются маслораспределительные канавки для подвода смазки в зону нагружения.
Осевые силы в магистральных насосах с колесом двустороннего входа теоретически уравновешены. Однако в реальных условиях возникают остаточные осевые усилия, обусловленные неравномерностью износа уплотнительных колец, различием давлений на входе в половины рабочего колеса, переходными режимами.
В базовом исполнении насосов НМ для восприятия осевых сил применяется сдвоенный радиально-упорный шарикоподшипник. Сдвоенная установка обеспечивает восприятие осевой силы в обоих направлениях, что необходимо для работы насоса в условиях меняющегося направления результирующей осевой нагрузки.
Радиально-упорные шариковые подшипники серий 7300 (по международной классификации) с углом контакта 40 градусов являются стандартным решением и для насосов Sulzer MSD. Угол контакта 40 градусов обеспечивает повышенную осевую грузоподъемность по сравнению с подшипниками с углом 15 или 25 градусов.
Для крупных типоразмеров насосов (НМ 3600-230, НМ 7000-210, НМ 10000-210) в качестве опции предусмотрены упорные гидродинамические подшипники скольжения. Это подшипники с качающимися (самоустанавливающимися) колодками - типа Kingsbury или Michell. Они обеспечивают значительно больший ресурс по сравнению с шарикоподшипниками в условиях высоких скоростей скольжения и тяжелых осевых нагрузок.
Концевые уплотнения вала магистральных насосов предназначены для герметизации зоны выхода вала из корпуса. В насосах серии НМ применяются торцовые (механические) уплотнения, которые обеспечивают минимальные утечки перекачиваемой среды в атмосферу.
Основное исполнение насосов НМ - одинарные торцовые уплотнения с дополнительным уплотнением со стороны атмосферы. Пара трения состоит из вращающегося и неподвижного колец, изготовленных из твердых износостойких материалов: карбида кремния (SiC), карбида вольфрама (WC) или графита, пропитанного смолой. Уплотняющий контакт обеспечивается прижатием пружин и давлением перекачиваемой среды.
В качестве опции предусмотрены двойные торцовые уплотнения с системой запирания (буферной жидкостью). Двойные уплотнения обеспечивают полную герметичность и исключают утечку нефти в атмосферу.
Sulzer MSD - горизонтальный многоступенчатый центробежный насос с осевым разъемом корпуса, соответствующий типу BB3 по API 610 / ISO 13709. По данным производителя, более 10 000 насосов MSD установлено на трубопроводах нефтепродуктов, в системах питания котлов и закачки воды.
Стандартная подшипниковая конфигурация Sulzer MSD включает (по документации Sulzer, brochure E00577):
Радиальные подшипники - шариковые (ball radial) в стандартном исполнении или втулочные подшипники скольжения (sleeve radial bearing) для тяжелонагруженных применений.
Упорные подшипники - радиально-упорные шарикоподшипники серии 7300 (стандарт); как опция - втулочные/шариковые комбинированные (sleeve/ball) или подшипники с качающимися колодками (pivot shoe / tilt pad). Для насосов MSD-RO стандартом являются втулочные радиальные подшипники и сдвоенные радиально-упорные; опционально - подшипники с качающимися колодками с принудительной масляной смазкой.
Конструкция рабочих колес насосов Sulzer MSD с встречным расположением (back-to-back) обеспечивает компенсацию осевых сил. Специальная конструкция импеллеров с динамической балансировкой устраняет необходимость в разгрузочной линии, что повышает общий КПД. Двойная спираль (double volute) минимизирует радиальные нагрузки и снижает прогиб вала, уменьшая нагрузку на подшипники.
KSB RPH - одноступенчатый тяжелый процессный насос типа OH2 по API 610 / ISO 13709, применяемый в нефтепереработке, нефтехимии и на трубопроводном транспорте. KSB HPK - многоступенчатый насос типа BB3 с осевым разъемом для трубопроводов и питания котлов.
В насосах KSB RPH применяются радиально-упорные шариковые подшипники с углом контакта 40 градусов, превышающие требования API 610 по ресурсу (по данным KSB). Стальная подшипниковая стойка (bracket) имеет интегрированные ребра охлаждения, исключающие необходимость отдельного контура охлаждения. Опционально устанавливается вентиляторная крыльчатка для дополнительного охлаждения при температуре перекачиваемой среды до 315 градусов Цельсия.
Двойная спираль (double volute) в насосах KSB RPH (от DN 80 и выше) снижает радиальные силы и предотвращает прогиб вала, существенно уменьшая нагрузку на подшипники и механическое уплотнение. Система гидравлической балансировки осевых сил дополнительно разгружает упорные подшипники.
Многоступенчатые насосы KSB HPK с осевым разъемом корпуса (тип BB3 по API 610) предназначены для трубопроводного транспорта и питания котлов. Подшипниковые опоры HPK включают парные радиально-упорные шариковые подшипники с углом контакта 40 градусов в различных конфигурациях установки. Смазка подшипников - масляная, с контролем уровня через постоянный маслоуказатель (constant level oiler) или принудительная от маслостанции в зависимости от типоразмера.
Гидродинамические подшипники с качающимися (самоустанавливающимися) колодками - наиболее совершенный тип упорных подшипников для тяжелых магистральных насосов. Конструкция была разработана Альбертом Кингсбери (США) и независимо Энтони Мичеллом (Австралия) в начале XX века и до настоящего времени остается основной для ответственных применений.
Каждая колодка подшипника опирается на точку качания (pivot) и может свободно отклоняться, формируя оптимальный клиновидный масляный зазор между колодкой и упорным диском (collar), закрепленным на валу. Гидродинамическое давление в масляном клине поднимает ротор и воспринимает осевую нагрузку без металлического контакта. Рабочая поверхность колодок покрывается баббитом (стандартный материал - ASTM B23, Grade 2 по спецификации Kingsbury).
Подшипники с выравнивающими рычагами (equalizing) равномерно распределяют нагрузку между всеми колодками, что существенно повышает грузоподъемность по сравнению с невыравнивающими конструкциями. По данным Kingsbury, система CH (self-contained) объединяет упорный подшипник с выравниванием, встроенный масляный циркулятор и радиальный подшипник в едином модуле, соответствующем API 610 и исключающем необходимость во внешней маслостанции, аварийном насосе и накопительном баке.
Рабочая температура масла на входе: 45-55 градусов Цельсия
Рекомендуемая вязкость масла: ISO VG 32, 46 или 68 (без EP-присадок)
Фильтрация масла: не грубее 25 мкм
Минимальное давление подачи масла к втулочным подшипникам: 0,25 бар
Стандартный материал баббита: ASTM B23, Grade 2
Система смазки подшипников магистральных насосов НМ - централизованная, с принудительной подачей масла. Маслоустановка входит в состав агрегата и обеспечивает подачу масла к подшипникам скольжения и упорному подшипнику, а также к зубчатой муфте привода. Трубопроводы маслоснабжения монтируются в пределах агрегата.
Рабочее масло должно обеспечивать формирование устойчивого гидродинамического клина при рабочей частоте вращения. Применяются турбинные масла вязкостью ISO VG 32 или ISO VG 46 (без EP-присадок). Масло фильтруется до класса чистоты не грубее 25 мкм. Температура масла на входе в подшипник поддерживается в диапазоне 40-55 градусов Цельсия. Маслоохладители (как правило, водяные) стабилизируют температуру масла при длительной работе.
Контроль параметров масляной системы включает: давление масла на входе в подшипники, температуру масла на входе и выходе из подшипников, уровень масла в маслобаке, перепад давления на масляных фильтрах.
Стандарт API 610 (ISO 13709) - основной международный стандарт для центробежных насосов нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. Он устанавливает ряд требований к подшипниковым узлам.
Расчетный ресурс подшипников качения (базовый ресурс L10) должен составлять не менее 25 000 часов при непрерывной работе на номинальном (расчетном) режиме и не менее 16 000 часов при максимально допустимых радиальных и осевых нагрузках. Подшипники скольжения должны обеспечивать устойчивый гидродинамический режим при всех рабочих условиях, включая переходные. Конструкция подшипникового узла должна обеспечивать доступ для осмотра и замены без снятия корпуса насоса с трубопровода.
Стандарт также устанавливает допустимые уровни вибрации на корпусах подшипников при приемочных испытаниях. Конкретные значения допустимой вибрации зависят от типа насоса, частоты вращения и категории оборудования; они определяются по таблицам стандарта для каждого конкретного случая. Для мониторинга в эксплуатации применяется стандарт API 670, устанавливающий пороги тревоги и аварийной остановки.
Основные виды повреждений баббитовых вкладышей: усталостное разрушение (трещины, выкрашивание баббита), задир при нарушении масляного клина, абразивный износ от загрязненного масла, кавитационные повреждения, электроэрозионный износ при появлении блуждающих токов. Каждый вид повреждения имеет характерную картину и требует анализа причин для предотвращения повторных отказов.
Вкладыши подшипников скольжения подлежат замене при: появлении трещин или отслоения баббитового слоя, увеличении рабочего зазора сверх допустимого значения (определяется руководством по эксплуатации конкретного насоса), систематическом повышении рабочей температуры вкладыша, обнаружении следов задира или металлического контакта, обнаружении продуктов износа баббита в масле (по результатам спектрального анализа).
В насосах НМ 1250-260 и более крупных применяются разъемные подшипники скольжения с баббитовой заливкой (сплав Б83 по ГОСТ 1320-74: олово 82-85%, сурьма 10-12%, медь 5,5-6,5%) или фторопластовыми вкладышами. Смазка - принудительная, от централизованной маслоустановки. Подшипники расположены по обе стороны от рабочего колеса двустороннего входа и воспринимают радиальные нагрузки от массы ротора и гидравлических сил.
Рабочее колесо двустороннего входа теоретически уравновешивает осевые силы. Однако при пусках, остановках и отклонениях от расчетного режима возникают остаточные осевые усилия. Сдвоенный радиально-упорный шарикоподшипник воспринимает эти усилия в обоих направлениях. Для крупных типоразмеров в качестве опции предусмотрены гидродинамические упорные подшипники с качающимися колодками (тип Kingsbury), обеспечивающие значительно больший ресурс.
Стандартная конфигурация Sulzer MSD включает шариковые радиальные подшипники и упорные подшипники серии 7300 (по документации Sulzer). Для тяжелых применений (трубопроводы, высокое давление) применяются втулочные подшипники скольжения (sleeve bearings) в радиальных опорах и подшипники с качающимися колодками (tilt pad / pivot shoe) в упорных узлах с принудительной масляной смазкой.
В KSB RPH стандартно применяются радиально-упорные шариковые подшипники с углом контакта 40 градусов, превышающие требования API 610 по ресурсу. В насосах НМ радиальные опоры выполнены как подшипники скольжения (баббит/фторопласт), а упорный узел - сдвоенный шариковый. Различие обусловлено конструкцией: RPH - одноступенчатый процессный насос (OH2), насосы НМ - крупные одноступенчатые с колесом двустороннего входа и значительно большими нагрузками на опоры.
Подшипник Kingsbury - гидродинамический упорный подшипник с самоустанавливающимися (качающимися) колодками, покрытыми баббитом (ASTM B23, Grade 2). Каждая колодка формирует клиновидный масляный зазор, воспринимающий осевую нагрузку без металлического контакта. Применяется в крупных магистральных насосах, турбинах, компрессорах. Kingsbury выпускает автономную систему CH, объединяющую упорный и радиальный подшипники со встроенным маслоциркулятором, что соответствует требованиям API 610.
В насосах НМ применяются торцовые (механические) уплотнения - одинарные с дополнительным уплотнением со стороны атмосферы (стандарт) или двойные с системой запирания (опция). В насосах Sulzer MSD и KSB RPH применяются уплотнения по стандарту API 682 / ISO 21049 в картриджном исполнении. Пара трения - карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC) или графит.
Турбинные масла вязкостью ISO VG 32 или ISO VG 46 (без EP-присадок). Температура масла на входе в подшипник поддерживается в диапазоне 40-55 градусов Цельсия. Масло фильтруется до класса чистоты не грубее 25 мкм. Контролируются давление, температура, вязкость и содержание продуктов износа (спектральный анализ).
По стандарту API 610, базовый расчетный ресурс подшипников качения L10 должен составлять не менее 25 000 часов при работе на номинальном режиме и не менее 16 000 часов при максимально допустимых нагрузках. Для подшипников скольжения стандарт требует обеспечения устойчивого гидродинамического режима при всех рабочих условиях.
Применяется комплексная система: непрерывный контроль температуры вкладышей (термопары/термосопротивления), вибрационный мониторинг корпусов подшипников (по API 670), контроль осевого смещения ротора, периодический анализ масла на содержание продуктов износа. Повышение температуры вкладыша, рост вибрации или появление частиц баббита в масле являются признаками развивающегося дефекта.
Вкладыши подлежат замене при: трещинах или отслоении баббита, увеличении зазора сверх допустимого значения (по руководству эксплуатации), систематическом повышении рабочей температуры, следах задира или металлического контакта, обнаружении продуктов износа баббита в масле. Плановая ревизия проводится при среднем ремонте насоса.
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для общего информирования технических специалистов. Автор и редакция не несут ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования или интерпретации представленной информации. Конкретные технические решения по подбору подшипников, уплотнений и комплектующих магистральных насосов должны приниматься квалифицированными инженерами на основании актуальной проектной и эксплуатационной документации производителей оборудования. Перед выполнением работ по ремонту и замене подшипников необходимо руководствоваться оригинальными руководствами по эксплуатации и ремонту. Автор полностью снимает с себя ответственность за возможный ущерб, связанный с применением информации из данной статьи.
1. API Standard 610 / ISO 13709 - Centrifugal pumps for petroleum, petrochemical and natural gas industries.
2. API Standard 682 / ISO 21049 - Pumps - Shaft sealing systems for centrifugal and rotary pumps.
3. API Standard 670 - Machinery protection systems.
4. ГОСТ 1320-74 (ИСО 4383-91) - Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия (с изменениями 1-7).
5. ГОСТ 831-2022 - Подшипники качения. Подшипники шариковые радиально-упорные однорядные. Общие технические требования.
6. ГОСТ 520-2011 - Подшипники качения. Общие технические условия.
7. Sulzer Pumps - техническая документация: MSD Axially Split Multistage Pump (brochure E00577).
8. KSB SE - техническая документация: RPH Process Pump to API 610; HPK Thermal Oil / Hot Water Pump.
9. Kingsbury Inc. - General Guide to the Principles, Operation and Troubleshooting of Hydrodynamic Bearings.
10. Решетов Д.Н. Детали машин. 4-е изд. - М.: Машиностроение, 1989.
11. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. 9-е изд. Том 2.
12. Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения: расчет, проектирование и обслуживание опор. - М.: Машиностроение, 1992.
13. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. - М.: Машиностроение, 1966.
14. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. - М.: Машиностроение, 1977.
15. SKF Rolling Bearings - главный каталог. Раздел: Angular contact ball bearings.
16. Schaeffler Technical Pocket Guide (STT). Раздел: радиально-упорные шариковые подшипники.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.