化工泵的设计应满足诸多工业标准的要求和规定，鉴于标准之间存在一定的差别，要为用户设计出符合标准规定而且满足特定需求的化工泵是一项挑战。本文介绍了一种创新研发的化工泵，即便是在非常规环境中使用也能表现良好的运行状态。

化学工业越来越趋于成为全球性的市场，而满足这一市场所有的标准要求几乎是不可能的，在这一背景下，KSB公司研发设计了新型Mega CPK化工泵替代已有45年历史的、符合ISO 2858标准的CPK/CPKN型化工泵。在新产品设计出来后，公司对其的性能进行了测试，包括运行效率、液压栅、变型灵活性、工作可靠性、维护保养性能等影响用户体验的项目，并在一些用户那里进行了试用，考察在不同的工况下设备的表现，试用阶段得到的量化数据均是通过实际检测得来。

计算机模拟

像以前一样，测试和检验是评判化工泵液体流动性能最可靠的方法。但所有试验研究的一个共同缺点是：耗费大量的时间和资金。基于这一原因，许多现代化的测试工具，例如计算流体动力学（CFD）应运而生，这类模拟技术提供了洞察泵内复杂流动过程详细信息的方法，例如泵的效率曲线。

所有的计算机模拟都从化工泵零部件的三维几何建模开始，在流动模拟准备时，首先对流体流经的表面进行数字化，即在零部件表面（如叶轮）建立一个网格。网格体系的容积总量是预处理步骤中生成计算机三维网的基础资料，化工泵模拟结果的质量与三维网的质量高低有着密切联系。在部分利用手工建立零部件表面的二维网格时，计算机会自动生成三维网。最后，随着各个工作点边界条件（流速、输送量）、介质的物理性能（密度、粘度）和计算模式的定义，预处理阶段也宣告结束。

确定了入口和出口处的边界条件后就可以真正开始计算机数字化模拟了。设计、开发人员不会介入到计算机的模拟工作中，计算机模拟方案包括分析、评判和记录等内容，若模拟结果没有达到预期的设想，则需要对模型进行调整、修正，重新再来一次。

大量的数据分析是一项费用高昂的工作。在计算机提供“解决方案”的背景条件下，分析人员交互式地开始了计算结果的完善改进（后处理）工作。流体力学专家对显示的流体动力学流矢量以及所选截面处的压力、速度分布进行解释，确定当时流动条件的相关信息，对出现的偏差给予纠正。利用这一工具就有可能让流体动力学工程师们达到既有出色有效率又克服了气蚀（NPSHerf）缺陷的目的。经过优化的流动性能要在测试泵中落实，在随后的化工泵实测中，CFD计算流体动力学工具提供了进一步优化改进的可能性。

另外，还需将设计的化工泵安装在真实的化工设备中，将原来使用的CPK/CPKN型化工泵能源消耗与新型Mega CPK系列化工泵进行比较，结果表明，使用无核定内置旁通的新型化工泵可以节约6%的能源。

图1 新型Mega CPK化工泵（可加热变型）的剖视图

液压连接的分类分级

ISO 2858标准中总共规定了34种规格；其中5种是优选规格。该标准规定：压力侧的最小口径为DN 32，最大为DN 150；叶轮的公称直径最小为125mm、最大为400mm；最佳工作点BEP处的输送流量和扬程在125m（50Hz）两级泵组的流量为250m3/h，50m扬程（50Hz）4级泵组的流量为400m3/h。过去，在这些苛刻的要求和规定下还能够满足用户的使用要求。大约有15%的化工泵典型的应用环境不在ISO 2858标准规定的范围内。新型Mega CPK系列化工泵上市之后，化工泵的液压连接分类分级得到了进一步的扩展。

ISO 2858标准同样也对各种规格的最佳工作点做出了规定。在有着标准规定使用特性的规范环境中，规格大小就是传递给用户的价格高低的信息。因此，ISO 2858标准突出强调了细致分类分级，有助于更加灵活的使用。在每一种最受欢迎的规格中给出了两个可能的最佳工作点。第一个最佳工作点有着相对较高的输送流量，这样可以减小对泵规格大小的要求，即按照规定最佳工作点设计的规格一般都在标准规定的规格范围内，这样用户购买的就是价格理想的产品了。

据ISO 2858标准的规定：同一外形尺寸、规格化工泵的第二个液力学最佳工作点是以泵的最佳工作点为主导的，这一点对于化工泵的维修非常重要。有关案例研究表明，这两个最佳工作点的方案有着很好的经济性，各种类型的泵98%都可以不加修改地与管道系统连接起来。

图2 背筋叶片（左）和卸荷孔结合节流装置（右）两种结构是减少不同原因轴向位移而在前后端盖上留下压痕的可选结构

可能的变型类型

仅是粗略的尺寸匹配是远远不能满足化学工业企业的期望和要求的，即使是官方公布的ISO 5199标准（叶片泵的技术要求—II级叶片泵）中要求必需做到的规定（主要内容参见下表）可能也满足不了特殊应用的要求。

轴承架的结构形式：ISO 5199标准规定的轴承支撑架最短使用寿命为17500h。在许多实际应用中，这一工作小时数是无法接受的，尤其是化工泵24h连轴转的时候。在其他应用情况中，这种工作时间是高维修成本的代名词。因此，KSB公司决定开发满足双方期望的解决方案：Economy轴承架的使用寿命至少17500h，满足了标准的规定和要求。而且因为使用单列轴承而价格低廉。与此相反，Medium Duty轴承架可安装调心辊子轴承以及角接触球轴承，在许多工作情况下的使用寿命可达100000h或更多。

湿式/干式轴：相互对照的配置方式同样开发了不同的结构形式。湿式轴提高了轴的刚性，干式轴则适合于在成本低廉、耐腐蚀性要求高的场合中使用。湿式轴有着较低的弯曲变形，即轴的刚性很好。在化工泵领域中，轴的刚性用L3/D4来表示，L表示叶轮出口处到下一向心轴承之间的距离，D表示轴密封的直径。Mega CPK系列化工泵的平均值在2.23mm-1，在API 610泵（石油、石油化工、天然气工业领域中重型叶片泵）的范围之内。在干式轴的结构中，泵轴由护套保护免受被输送介质的侵蚀吗，这也意味着可以用碳钢制造高腐蚀介质输送用的泵轴了，因此泵的制造成本就比用双相钢轴低得多。这两种配置方式都满足了ISO 5199标准对轴弯曲的规定和要求，由于弯曲对滑动密封的使用寿命有着重要的影响，因此进步提高了工作的可靠性。另一方面，轴的弯曲也影响着滑动密封的泄漏。

工作可靠性

泵的工作可靠性与许多考察过的因素有关。在重要性能和这些性能的积极作用方面，KSB公司做了下列研发改进工作。

对轴承架的刚性进行了优化：振幅低于ISO 5199标准规定的振幅。这项改进提高了轴承和滑动密封的使用寿命，因为强烈的振动会升高疲劳失效的概率。

两侧腔式的端盖密封：这种结构的密封端盖可在化工泵输送含有固体颗粒的液体介质时避免磨损。正因如此，端盖的安装更加简单，因为密封无需调整和对准，避免了密封件被挤出来的情况。

整体式的轴承架：因为不同零件相互接触的接合面数量减少，避免了安装调整时出现错误。

优化了的轴向补偿：通过常规考察得出两种减少由不同压力致使轴向位移而在前、后端盖上留下压痕的解决方案：背筋叶片和卸荷孔结合节流装置。试验表明，背筋叶片铲可以带来很高的压力脉动和相对较高的压力峰值，这种峰值压力直接作用在滑动密封上，与峰值压力同时也出现轴向位移峰值—能够导致轴向推力轴承损坏的压力。

增大了锥形密封腔：在固体材料应用的经验中得知：加大锥形密封腔可以减少含有固体颗粒液体介质的磨损、改善通风。

连接法兰和接口的连接力、拧紧力矩：由于采用了刚性更好的结构设计满足了ISO 5199标准的规定和要求，减少了连接方向的错误（安全性、使用寿命），避免了轴承的机械性位移，从而也避免了因轴承位移而降低了化工泵的工作效率。

维护和保养

化工泵的维护和保养会产生高昂的费用，因此维修保养是必需考虑的一项工作。根据化工泵具体的工作情况，应在无需机械修整的情况下更换滑动密封的密封填料。为了避免维护保养后出现错装，过去常常见到这样的情况，泵的油位调节接口和放油接口都设计成不同的了，使用的是更加简单的标准型顶出螺栓，泵体用螺栓固定在轴承架上，从而避免了在拆卸时损伤密封件。

化工泵的重要标准

ISO 2858（最大轴向入口（PN 16）的叶片泵—名称，额定功率和外形尺寸）对特定规格化工泵最佳工作点的外形尺寸、额定功率和扬程以及压力极限做出了规定。

ISO 5199（叶片泵技术要求 II级）对叶片泵的技术要求做出了详细的规定。

ISO 3069（最大轴向入口的叶片泵 滑动密封和柔性密封的安装尺寸）对叶片泵的轴密封和密封腔尺寸做出了规定。