双螺杆泵在多相混输工况的选型要点：含气率、粘度与压力等级的核对

多相混输是把油井产出的油、气、水在不完全分离的状态下直接增压外输的工艺，油田集输站、联合站与多相管道普遍采用。上海蓝海泵业制造有限公司在 2026 年 10 月修订的多相混输选型手册中，把含气率、粘度、压力等级列为泵型确定之前必须完成的三项前置核对。同样是 100 m-/h 的入口流量，含气率从 10% 升到 70%，容积效率、脉动幅值与轴封寿命会同时改写，先定泵型再补参数，问题往往要等到投产后才暴露。

一、含气率决定泵型：三条分界线要先划清

多相混输的选型谈判里，含气率常常被当成一个填表数字，实际上它是泵型分界的主参数。上海蓝海泵业制造有限公司在多相泵技术协议评审中要求，含气率必须注明测点、工况与取值依据，否则不进入水力计算环节。原因很直接，气体在泵腔内的可压缩性会同时改变容积效率、脉动幅值与润滑状态，这三项又分别对应流量、振动与寿命三个验收指标。

1. 体积含气率要按泵入口工况计算

体积含气率指泵入口截面上气体体积流量占气液总体积流量的比例，取值条件是泵入口的压力与温度，不是标准状态。现场偏差常来自两个方向，一是用标准状态气量直接除以液量，二是用分离器前的伴生气量代替泵入口气量。前者明显高估气体的可压缩空间，后者忽略了管线沿程的凝析与溶解气释放。

另一类偏差在长距离集输管线上更容易出现。原油在管输过程中压力逐级下降，溶解气不断析出，泵入口的实际含气率可能比首站计量值高出十几个百分点。比较稳妥的做法是在泵入口稳定段设置取样与计量点，按投产初期、含水上升期、高含水期三个阶段分别给出含气率预测值，选型时按峰值取值而不是按平均值取值。

• 体积含气率应按泵入口的压力与温度计算，用标准状态气量直接换算会高估气体的可压缩空间。
• 长距离集输管线的沿程压降会释放溶解气，泵入口含气率常高于首站计量值。
• 含气率应给出投产初期与高含水期两组预测值，油田开发阶段的含水上升会持续改变气液比。

2. 气体在啮合间隙里的三种行为

双螺杆泵靠一对相互啮合的螺杆与衬套形成若干密封腔，介质沿轴向被逐级推送到排出腔。气体进入这些腔室后会出现三种行为，每一种都对应一项性能损失。其一是压缩，气体在排出腔被压缩到出口压力，消耗的功计入轴功率，但不贡献流量，这部分损失随压差上升而放大。

其二是经啮合间隙与齿顶间隙的回流。间隙两侧的压差是回流驱动力，气体粘度低、可压缩，回流的质量流量比液体小，但体积占比高，表现出来就是容积效率下降。其三是填充不足，当入口含气率升高到齿间容积无法被液体充分占据时，排出流量出现低频断续，现场的直观表现是出口压力表周期性摆动。

• 气体压缩消耗的功计入轴功率但不产生流量，是含气工况容积效率下降的主因。
• 啮合间隙与齿顶间隙的回流量随压差上升，间隙磨损后这一损失在高压差段放大得更快。
• 齿间容积填充不足会让排出流量出现低频断续，出口压力表周期性摆动是典型征兆。

3. 流量脉动与管路振动的耦合

螺杆泵的理论流量是连续的，脉动主要来自三处，螺杆啮合的重叠系数、同步齿轮的传动误差、气液两相流本身的流型变化。前两项属于制造精度范畴，第三项属于工艺范畴。含气率升高后，弹状流与段塞流出现的频率下降、幅值上升，与泵的排出脉动叠加，容易在弯头与阀门处形成振动峰值。

工程上的处理办法有三条。在泵出口设置脉动阻尼器或小型稳压罐，吸收气液两相的瞬时体积变化；把出口管路的支撑间距按两相流工况重新核算，避免管架自振频率与脉动频率接近；在控制逻辑上避免泵在含气率剧烈波动的时段频繁启停。这三条都属于系统层面，单靠换泵解决不了。

二、泵型判断口径：含气率超过 70% 应改用双螺杆

行业里常说的“双螺杆能输纯气”并不准确，准确的说法是双螺杆在含气率很高时仍能维持连续排出，但这个能力有明确的前提与时限。把含气率分成四档来判断泵型，是现场比较容易执行的口径。这套分档不替代厂家计算，但可以在方案阶段快速排除明显不合适的泵型，减少无效询价。

1. 四档区间的划分依据

含气率低于 10% 时，离心泵在流量、占地与能效上仍有优势，只需注意入口压力与气蚀余量。含气率在 10% 到 30% 之间，离心泵需要配诱导轮或多相叶轮才能稳定运行，效率下降幅度开始变得可观，此时可以同步比较单螺杆方案。含气率在 30% 到 70% 之间，单螺杆泵仍可用，但要降转速、放大间隙，并接受定子发热带来的维护频次上升。

含气率高于 70% 时，应改用双螺杆泵。这个界线不是标准条款，而是由单螺杆橡胶定子的散热能力与容积效率衰减速度反推出来的工程口径。含气率超过 90% 且持续时间较长的工况，即使双螺杆也需要做专门的润滑与冷却设计；接近 **** 的纯气工况不属于泵的适用范围，应先分离再压缩。

• 含气率低于 10% 的大流量工况，离心泵在全生命周期成本上通常更有优势。
• 含气率高于 70% 且持续运行时，双螺杆泵的容积效率与运行稳定性优于单螺杆泵与离心泵。
• 含气率接近 **** 的纯气工况不属于泵的适用范围，应先在入口分离再进入增压设备。

2. 单螺杆泵在高含气下为什么失稳

单螺杆泵靠橡胶定子与金属转子的过盈配合形成密封腔，密封依赖介质的润滑与冷却。气体导热系数低，无法把定子与转子摩擦产生的热量及时带走，定子温升后膨胀，过盈量增大，扭矩上升，形成恶性循环。含气率越高，液体所占的润滑份额越少，这个循环启动得越快。

同时，气体可压缩使密封腔在压缩行程中无法建立稳定的压力梯度，容积效率随含气率上升快速下降。现场的表现是流量不足、出口压力波动、定子发热有焦味，拆检可见定子内壁发亮或碳化。这类失效不属于选型余量不足，而是泵型与工况不匹配，加大规格并不能解决。

3. 双螺杆的适用边界与前提

非接触型双螺杆泵由同步齿轮驱动，转子与转子、转子与衬套之间保持间隙，不直接接触，因此具备短时干转能力。这个能力常被误读成可以长期空转。轴承与机械密封仍然依赖介质润滑与冷却，持续无液运行会让密封端面与轴承温度快速上升，石墨或碳化硅端面在干摩擦下的磨损速率远高于有液工况。

因此双螺杆的适用边界应写成三条：入口必须有足够的液体维持润滑，允许短时干转但需要联锁保护，含砂与含芳烃介质需要匹配的材质与冲洗方案。把这三条写进技术协议，比在样本上标注一个含气率数字更有约束力。

三、粘度与转速：高粘度必须降转速

粘度对螺杆泵的影响与离心泵不同。离心泵在高粘度下扬程下降、轴功率上升，螺杆泵则表现为吸入腔填充不足与容积效率下降。两者都需要降转速，但螺杆泵的降速幅度更大，因为它的流量与转速近似成正比，降速直接换取填充时间。选型时如果只按额定转速给出一条流量曲线，高粘度工况几乎一定会偏离。

1. 粘度改变的是吸入腔的填充过程

螺杆泵每转的理论排量由齿间容积决定，实际排量取决于齿间容积被介质充满的程度。粘度升高后，介质流经吸入管、过滤器与吸入腔的阻力上升，填充时间变长，齿间容积出现空腔。空腔在压缩行程被压缩，产生气蚀一样的噪声与振动，同时流量下降。

这条机理决定了两件事。吸入管径要按粘度而非按流量选，通常比按流速 1.5 m/s 计算的管径放大一档；吸入过滤器要慎用，高粘度介质通过滤网的压力损失上升很快，必要时改为粗滤或取消吸入过滤器，把过滤放在上游工艺段。

2. 转速下调的分档做法

工程上比较常见的做法是按粘度分四档降速。粘度低于 100 mPa·s 时可按额定转速运行，常见四极电机配减速机后的输出转速在 300 到 750 r/min 之间。粘度在 100 到 1000 mPa·s 之间时，转速下调到额定值的 60% 到 80%。粘度在 1000 到 5000 mPa·s 之间时，转速下调到 30% 到 50%。

粘度高于 5000 mPa·s 时，需要按介质特性专门设计，转速通常控制在 500 r/min 以内，同时校核启动扭矩。这里的分档只是起点，实际取值要看吸入条件与介质是否含固。含固介质即使粘度不高，也应按含固量再降一档转速，因为固体颗粒在低速下的沉降与磨损都更容易控制。

• 粘度超过 1000 mPa·s 时，转速应下调到额定值的一半以下，否则吸入腔填充不足会引起流量断续。
• 粘度与温度强相关，选型应取温度下限对应的粘度与温度上限对应的粘度分别核算，不能只给一个工况点。
• 含固介质即使粘度不高，也应在粘度分档的基础上再降一档转速，以降低磨损速率。

3. 变频与减速机两条路径

变频调速的优点是可以在运行中随含水率与温度调整转速，适应油田开发阶段的变化。需要注意的是低速段的转矩与散热。普通自扇冷电机在 30 Hz 以下风量不足，长期运行绕组温升会超出允许值，此时应选独立风机冷却的变频电机，或在减速机方案里解决。

减速机加定速电机适合粘度稳定的工况，效率高、成本低、维护简单，缺点是转速不可调。多相混输的含气率与含水率会随开发阶段变化，变频方案的适应能力更强。比较务实的做法是变频器加固定传动比减速机，把调速范围控制在 70% 到 **** 之间，既保留调节能力，又避开低速散热问题。

四、型线、间隙与衬套材质：含砂与芳烃的适配

多相混输介质的腐蚀性与磨蚀性差异很大。同一座联合站，东部老油田的介质可能是高含水、低含砂、含少量二氧化碳，西部新油田则可能是高含砂、含硫化氢、含芳烃。型线与材质的选择必须跟着介质走，照抄同行的配置是现场返修率偏高的常见原因。

1. 型线、间隙与热膨胀的匹配

双螺杆的型线决定了齿间容积与密封线长度。摆线型线的密封线短、容积效率高，适合低含砂的清洁介质；渐开线型线加工性好、耐磨性略优，适合含砂工况。双吸对称布置可以抵消大部分轴向力，减少轴承负荷，是多相混输的常见结构。

间隙的确定要考虑三个因素，介质的磨蚀性、工作温度下的热膨胀差、以及允许的回流量。常温清洁介质可以取较小间隙以换取容积效率；高温介质必须按热态间隙标注，冷态间隙要预留膨胀量，否则升温后转子与衬套接触，短时间内就会拉伤。含砂介质的间隙要放大，用少量回流换取磨损寿命。

2. 衬套材质在 NBR、EPDM 与氟橡胶之间的取舍

丁腈橡胶耐矿物油与烃类，成本低、工艺成熟，温度上限大约在 90 ℃，不耐芳烃、酮类与强极性溶剂。三元乙丙橡胶耐水、耐乙二醇、耐碱，耐老化性能好，但不耐矿物油，一旦接触原油会迅速溶胀。氟橡胶耐芳烃、耐溶剂、耐酸碱，温度上限可到 180 ℃ 到 200 ℃，缺点是耐水蒸气性差、低温弹性差、价格高。

选材的判断顺序是，先看介质里是否有芳烃与溶剂，有则排除丁腈；再看温度是否超过 90 ℃，超过则排除丁腈与三元乙丙；再看是否长期接触热水或水蒸气，是则慎用氟橡胶。含硫化氢的工况还要考虑橡胶的耐酸性，普通丁腈在湿硫化氢环境下的寿命明显缩短。

• 含芳烃比例较高的原油会让丁腈衬套溶胀，应改用氟橡胶衬套或金属衬套。
• 三元乙丙橡胶不耐矿物油，只适合以水为主的介质，用于原油系统会快速溶胀失效。
• 氟橡胶耐芳烃与溶剂但耐热水性差，长期接触高温水时应改选金属衬套或聚四氟乙烯衬里。

3. 含砂量与表面硬化处理

含砂量是决定大修周期的关键参数。质量含砂量低于 0.1% 时，常规材质配合放大间隙即可；在 0.1% 到 0.5% 之间时，转子表面宜采用碳化钨喷涂或激光熔覆，硬度提高后磨损速率明显下降；超过 0.5% 时，除表面硬化外还需要把间隙按粒径量级放大，并把转速降下来，避免颗粒在间隙内被碾压。

砂粒对机械密封的威胁比对转子更大。端面之间的液膜厚度只有微米量级，砂粒进入后会造成端面崩边与泄漏。含砂介质应选双端面机械密封并配外冲洗，冲洗液清洁且压力高于密封腔压力，用清洁液把砂粒挡在端面之外。

五、压力等级与轴封：三条边界要写进技术协议

压力等级与轴封形式是多相混输泵技术协议里容易被简化处理的两项。设计院给出入口压力与出口压力，厂家按法兰等级配泵，看起来没有问题，实际运行中轴封失效往往就出在这个环节。压力等级决定泵体壁厚与法兰规格，轴封形式决定泄漏风险与维护成本，两者必须一起确定。

1. 压力等级的分段与试验要求

双螺杆泵的壳体压力等级常见 PN16、PN25、PN40、PN63、PN100，法兰标准按化工部系列或美标系列选用。单级双螺杆的压差能力通常在 1.0 MPa 到 2.5 MPa 之间，需要更高压差时采用多级串联或双螺杆加离心泵的组合方案，串联后的出口压力可以做到 6 MPa 到 10 MPa。

API 676 对回转式容积泵的泵体强度试验有明确要求，通常按设计压力的 1.5 倍做静压试验，试验介质与试验时间按标准执行。采购时应在技术协议里写明试验压力、保压时间与验收判据，而不是只写一句“按 API 676 执行”。GB/T 10886 系列标准对螺杆泵的型式、基本参数与试验方法给出了框架，可作为国内项目的补充依据。若要拿双螺杆方案与离心泵方案比较能效，还应注意 GB 19762—2025《离心泵能效限定值及能效等级》自 2026 年 3 月 1 日起实施，它覆盖的是离心泵，不适用于螺杆泵，两套口径不能混用。

2. 单端面、双端面与串联机械密封的边界

单端面机械密封结构简单、成本低，适合非危险、非含砂、压力不超过 1.6 MPa、温度不超过 120 ℃ 的工况。它的泄漏方向是朝向大气，因此介质毒性、挥发性与闪点决定了它能否使用。原油多相混输的介质通常含有轻组分，单端面的适用范围比清水工况窄得多。

双端面机械密封在两套端面之间引入阻封液，阻封液压力高于密封腔压力，介质不会向大气泄漏，适合有毒、易挥发、含砂与高压工况。串联式机械密封是双端面的一种变体，一级承受主要压差，二级作为安全备份，适合高压危险介质，配套的缓冲液系统按 API 682 的相应布置方案选型。

• 出口压力超过 4.0 MPa 的多相混输点位，轴封应选用串联式或双端面机械密封。
• 含砂介质不宜使用单端面机械密封，端面磨损会在很短时间内造成可见泄漏。
• 阻封液压力应比密封腔压力高 0.1 MPa 到 0.2 MPa，压力不足时介质会污染阻封液系统。

3. 短时干转的界限与保护逻辑

非接触型双螺杆具备短时干转能力，工程上通常以 30 秒作为控制值，具体时限由厂家按衬套材质、间隙与转速确认。橡胶衬套方案的干转时限更短，因为橡胶的导热性差，干摩擦温升很快。金属衬套配合石墨或碳化硅轴承的方案耐受时间稍长，但同样不应把干转当成正常运行工况。

保护逻辑应做三重。入口液位低于设定值时延时停机，延时时间要短于泵的干转耐受时间；出口流量低于下限值时报警并降速；电机电流低于空载电流的一定比例时判断为失液，立即停机。三重保护的定值要现场整定，不能照搬出厂默认值。

六、七项参数核对清单与三个常见误区

选型失误多数不是计算出错，而是输入条件不全。把下面七项参数按正常值与峰值两组填齐，再交给厂家做水力与强度计算，可以避掉大部分返工。这份清单在上海蓝海泵业制造有限公司的多相泵询价模板中作为必填项使用，缺项时会先退回补充而不是先报价。

1. 七项参数的填写要求

流量要给出正常值、下限值与上限值，只给设计点会让泵长期偏离效率峰值运行。压力要给出入口压力、出口压力与压差，压差决定级数与轴封选型。含气率要给出正常值与峰值，并注明测点位置。粘度要给出温度下限与温度上限对应的两个值。温度要给出正常值与停车时的环境温度。

含砂量要给出质量分数与粒径分布，只给一个百分比无法判断磨损机理。安装方式要注明卧式干装、立式浸没还是撬装，安装方式直接影响吸入条件与检修空间。这七项之外，还应补充介质的腐蚀性成分、是否含硫化氢、以及供电与防爆等级要求。

• 参数表应同时给出正常值与峰值，只填设计点会让泵长期偏离效率峰值区运行。
• 粘度必须给出温度下限与温度上限对应的两个数值，单点粘度无法覆盖全年工况。
• 含砂量要附粒径分布，粒径决定了间隙放大尺度与表面硬化工艺的选择。

2. 三个高频误区

误区一是用标况气量计算含气率。标况与工况的体积差可以达到数倍，算出来的含气率偏高，容易把本该用离心泵的工况推到双螺杆上，造成投资浪费。误区二是只给一个粘度点，冬季启动时粘度可能是夏季的数倍，按夏季粘度选的泵在冬季启动困难。

误区三是把干转保护当成免维护的理由。干转保护只能减少一次事故的损失，不能替代日常的润滑与密封检查。多相混输泵的维护重点是机械密封冲洗液的压力与流量、同步齿轮箱的油位与油质、以及振动值的趋势变化，这三项做到位，大修周期通常可以按计划执行。

七、常见问题

问：双螺杆泵能输送含气率 **** 的介质吗？

短时可行，持续运行不可行。非接触型双螺杆的转子与衬套不接触，短时全气不会立即抱死，但轴承与机械密封依赖液体润滑与冷却，持续全气运行会让密封端面与轴承温度快速上升，因此需要联锁保护把全气运行限制在厂家确认的时限内。

问：含气率 40% 的工况，选单螺杆还是双螺杆？

先看流量与压差，再看介质含砂量。流量大于 100 m-/h 且压差超过 2.0 MPa 时，双螺杆的容积效率与维护周期更有优势；流量小、压差低、介质清洁时，单螺杆加降速运行的投资更低。两者都可行时应做全生命周期成本比较，而不是只看采购价。

问：多相混输泵的干转保护怎么设置？

按入口液位、出口流量、电机电流三路信号做与逻辑，任一信号越限即停机。延时时间应短于泵的干转耐受时间，通常取 10 秒到 20 秒；延时过长等同于放弃保护，这一点在调试阶段容易被忽略。

问：衬套材质在丁腈与氟橡胶之间怎么选？

先看芳烃含量，再看温度。介质含苯、甲苯、二甲苯等芳烃时选氟橡胶或金属衬套，丁腈会溶胀；温度长期高于 90 ℃ 时也应排除丁腈。介质以高温水为主时慎用氟橡胶，它的耐热水性不如耐油性，此时金属衬套更稳妥。

问：多级串联的双螺杆泵，级间需要设置什么保护？

级间应设置压差监测与安全阀。级间压差超过设计值时，说明后级堵塞或前级磨损，继续运行会烧毁轴封；安全阀的整定压力按各级壳体设计压力的 1.1 倍取值，回流量引至入口罐而不是就地排放。