大型離心泵試車事故的分析與對策

王慶綱

天津博華工程建設監理有限公司 天津 300211

大型離心泵試車事故的分析與對策

王慶綱

天津博華工程建設監理有限公司 天津 300211

在兩起大型離心泵試車事故中，均突然發生泵體偏移，泵體與底座聯結螺栓被剪斷，造成電機與泵體聯軸器柱塞變形，不銹鋼波形補償器被破壞的質量事故。離心泵在設計時通常都在泵體與管道之間加一個橡膠撓性接頭，但該兩起事故中，使用的是不銹鋼波形補償器，且安裝分別在泵進、出口位置，在試車時由于壓力迅速上升引發事故發生。經過對事故原因的分析、研究和理論計算，對設備進行了改進。改進后離心水泵運行平穩，未見異常。經總結經驗教訓，提出了該類設備的設計、安裝方面的改進建議，供同行參考。

離心泵 試車 螺栓斷裂 補償器破壞 原因

我單位監理的天津濱海新區某大型化工廠與天津110萬t/a大乙烯對接項目：50萬t/a苯乙烯；40萬t/aABS；12萬t/aEBS共用的公用工程，該工程由該廠自行設計、施工，現已投入使用。

本工程的消防水泵房安裝兩種型號各4臺固定式離心雙吸式清水泵：

型號：XBD5.5/417-SLOW300-460

產地：上海連成泵業制造有限公司

參數：進口：DN500 出口：DN400 壓力：0.55Mpa（另一型號為1.2MPa高壓泵） 流量：417L/S 電機功率：630KW電壓：6000V 轉速：1480r/min

循環水泵房安裝了4臺雙吸中開蝸殼式離心泵：

型號：36SAP-13 產地：長沙水泵廠

參數：進口：DN1000出口：DN900

楊程：H=55M 流量：Q=4000M3/h

電機功：900KW 電壓：6000V 轉速：980r/min

安裝及配管形式見圖（1）

1 事故發生的經過

先試消防水泵，試車前，施工單位按離心泵《安裝使用說明書》的要求和GB50275-98《壓縮機、風機、泵安裝工程施工及驗收規范》第4.2.17條的規定編制了《單機試車方案》：一切準備就緒，遵照下列步驟開始單機試車：

（1）打開吸入管路閥門，關閉排出管路閥門。

（2）打開所有的附屬管路閥門并檢查工作已正常。

（3）啟動電機。

（4）轉速正常后再緩慢打開排出口管路閥門。

泵啟動后轉速剛正常，還沒等打開出口閥門就聽到一聲巨響，緊急停車后檢查發現：泵體與底座間的4條螺栓以泵出口一側靠電機方向那條（已嚴重變形）為圓心，泵體呈扇形滑向排出口方向，其余三條螺栓被剪斷，螺栓處最大滑移量約200mm，排出口和吸入口兩端不銹鋼波形補償器嚴重變形，徹底報廢。泵體和電機之間的聯軸器完好，彈性柱銷已損壞，幸好未造成兩傳動軸變形。

后來又用原來的方法試循環水泵，和試消防泵一樣發生了完全相同的事故。

起初，建設、施工和設計單位經過分析拿出了改進措施，即將波形補償器端板加固，加粗四條拉桿重新用螺母內外固定，使波形補償器既不能壓縮也不能拉伸，完全失去了作用。

2 事故原因分析

清水離心泵在設計時通常都在泵體與管道之間加一個橡膠撓性接頭，主要作用有二：一是防止管路的重量作用在泵體上，二是防止管道運行時流體在管內脈沖引起的振動傳到泵體上，從而影響水泵的平穩運行。此設計使用不銹鋼波形補償器，且安裝位置分別在泵進、出口，試車前已按要求松開拉桿。當水泵啟動后，此段壓力迅速上升至5.5MPa，這就在處于自由狀態的補償器兩端形成了兩個方向相反大小相等的作用力P，作用于管道上的力P由于管道為剛性體且有固定支架，管道不可能移動，而另一側施加給泵體的推力P在克服了泵體與底座通過螺栓聯接產生的摩擦力后直接給螺栓造成一個剪應力。當這個剪應力超過螺栓的抗剪強度后，就會發生這樣的事故。

3 理論推導計算

現以16寸消防水泵為例進行分析，其水泵啟動后，達到額定轉速時在未打開出口閥的狀態下其受力情況見（圖2）

式中：

P—泵體所受到的推力（KN）

D—泵排出口管徑（cm）

P0—泵 排 出 口 絕 對 壓 力 0.6（MPa）1MPa=0.0981（KN/cm2）

將以上數值代人（式1）得：

受力情況計算如下：

3.1 泵體所受到的推力計算

已知水泵排出口壓力為0.55MPa，吸入口負壓至少為0.05Mpa，泵排出口的實際絕對壓力應為：

0.55 +0.05 =0.6（Mpa），管徑 DN=400，泵啟動后在未開啟出口閥門前，泵體所受到的推力由下式計算：

可知泵體所受到的推力：P=73.97（KN）

3.2 螺栓所受到的剪應力

泵體在推力P的作用下直接將力傳遞到聯接螺栓，其所受到的剪應力τ由下式計算：

式中：

P—泵體所承受的推力（KN）（見式1）；

f—泵體與底座間的摩擦力。

注：f=μN（KN）式中：

μ—摩擦系數。查手冊鑄鐵與炭鋼μ=0.3

N—正壓力，單個螺擰緊后估計為：5（KN）

代人數值，4條螺栓計算得：f＝0.,3×5×4＝6（KN）；

F—單個螺栓強度計算時的有效面積，查手冊F=1.744（cm2）；

n—螺栓數量 根據實際破壞情況n=3；

α—螺栓不同時受剪系數。考慮到泵體與底座相聯的螺栓孔的定位尺寸為自由公差，通常螺孔比螺栓大2mm，因此在泵體與底座錯動時不可能在三條螺栓上同時受剪。實際應為相繼受剪逐個斷裂，故此估計α=0.5。

將以上數值代入（式2）得出M18螺栓的剪應力為：

可知螺栓所受到的剪應力：τ=25.96（KN/cm2），這里只是近似計算，從實際破壞情況看這個力要大的多。

3.3 螺栓抗剪強度校核

由材料力學的第三強度理論（最大剪應力理論）在純剪時：

可知：螺栓斷裂必須出現τ＞[τ]的情況

[τ]—許用剪切強度極限（KN/cm2）。從螺栓斷口情況看材質象Q235，查手冊強度極限為41.16（KN/cm2）將數值代入（式3）

通過以上計算證實τ＞[τ]，所以泵體在推力P的作用下向后移動，此時泵體聯軸器一側因與電機聯軸器用彈性柱銷相聯，其向后移動受到限制。因泵體外側為自由端，于是出現了如圖2以螺栓A點為圓心B、C、D點逆時鐘作扇形移動的破壞現象。

用同樣的方法計算36吋循環水泵，所不同的是泵排出口為DN900螺栓為M33。計算所得結果：

τ＞[τ]38.59＞20.58（KN/cm2）而且比 16寸泵破壞力大的多。

4 討論

通過以上分析、計算、證實這類泵在此種設計條件下安裝，試車必然會出現如前敘述的事故。相同的設計方法，兩種不同規格、不同廠家生產的泵安裝在不同車間，在試車時出現相同的質量事故，完全可以說明，高揚程、大流量、大功率的離心式水泵不能采用如（圖1）的設計方法。此問題必須引起設計、施工、監理各方的重視。接受這個教訓。經我們認真分析研究提出如下對策：

(1)在消防水和工藝循環水系統中，建議不使用波形補償器，這樣既可以避免事故又可以降低工程造價。

(2)建議采用橡膠撓性接頭即不承重又隔振。

(3)如果必須加波形補償器，建議一定要把它放在出口閥門之后，并加粗泵體與底座之間的聯接螺栓（地腳螺栓）；或選用高強度螺栓。

以上為本人對這兩起大型離心泵在特定的安裝使用條件下發生事故的分析和探討，僅供讀者參考。

1《機械設計手冊》化學工業出版社.1985年.

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1672-9323（2011）02-0075-02

2011-01-10）