離心泵管道應(yīng)力淺析

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

1 離心泵管口受力要求及應(yīng)力分析原則

泵作為一種轉(zhuǎn)動設(shè)備，在整個裝置中作為輸送介質(zhì)的動力源。石油化工裝置中用得最多的是臥式離心泵，按照流體吸入和排出的方式可以分為：側(cè)面吸入和側(cè)面排出、軸向吸入和頂部排出、頂部吸入和頂部排出(如圖1所示)。離心泵屬于回轉(zhuǎn)機(jī)械，管道作用于泵的載荷過大時，會引起轉(zhuǎn)子的不對中，轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙改變，引起泵的磨損和振動，影響泵的正常運(yùn)行，降低其使用壽命，因此，離心泵的管道應(yīng)力分析至關(guān)重要。

圖1 臥式離心泵的型式

離心泵管口受力和力矩的標(biāo)準(zhǔn)通常由制造廠提出。如果制造廠沒有提出允許受力值，其管口受力一般按照美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API610的規(guī)定(表1)來控制。

表1 API610泵口允許載荷

注：①F—力，N；M—力矩，N·m；FR—力的合成值，N；MR—力矩的合成值，N·m；②表中數(shù)值均為絕對值。

因此，管道布置及應(yīng)力分析中的首要問題就是，如何增加管系的柔性，以使其應(yīng)力滿足判定標(biāo)準(zhǔn)及其推力符合要求。泵管道應(yīng)力分析應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：

(1)應(yīng)力分析后的泵口外力應(yīng)滿足受力(力矩)要求；

(2)應(yīng)力分析提出的任何管道方面的修改應(yīng)符合工藝要求；

(3)在滿足泵口受力要求的前提下，力求管道布置簡捷，減少不必要的彎頭；

(4)在滿足上述要求的前提下，還應(yīng)使管系有足夠的抗振性能，防止由于流體沖擊、泵的轉(zhuǎn)動不平衡、風(fēng)載及地震等動荷載引起管系振動。

2 建立應(yīng)力計(jì)算模型遇到的幾類問題

CAESARⅡ是由美國COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，以其功能強(qiáng)大、操作簡單而受到眾多用戶的喜歡，成為當(dāng)今通用的石油化工管道應(yīng)力分析軟件。本文對離心泵管道應(yīng)力的分析即基于此軟件。

2.1 如何做泵的模擬

一般情況下，離心泵的管口可以模擬成剛性固定點(diǎn)。輸入就是直接輸入一個ANC的約束即可。

如果泵的尺寸比較大，且泵的操作溫度較高時，可以計(jì)算出泵口的熱位移，用CNODE的形式輸入固定點(diǎn)，再在位移界面輸入位移。如圖2所示，10點(diǎn)是管道上的點(diǎn)，虛擬一個1000點(diǎn)為泵口。先10點(diǎn)ANC在1000點(diǎn)上，然后1000點(diǎn)指定位移。目前的情況下很難將泵口比較真實(shí)地模擬，一般廠家提供的資料也就是設(shè)備外形圖而已，管道應(yīng)力分析人員可根據(jù)泵的外形圖來計(jì)算出管口的熱位移。

圖2 離心泵管口的模擬

2.2 管道計(jì)算溫度的選取

在大型化工裝置中，為了防止泵出現(xiàn)故障而停車，且檢修方便，泵系統(tǒng)常采用一開一備(如圖3所示)或者兩開一備。計(jì)算管道應(yīng)力時，一般按照下述原則選取備用管道的計(jì)算溫度：

(1)對于保溫管道，取操作管道溫度的50%作為T段的計(jì)算溫度；

(2)對于不保溫管道，取操作管道溫度的25%作為T段的計(jì)算溫度；

(3)取環(huán)境溫度作為備用泵到切斷閥之間TS管段的計(jì)算溫度。

(4)對于有蒸汽伴熱的進(jìn)出口管線，當(dāng)管線處于備用狀態(tài)時而仍在進(jìn)行蒸汽伴熱，管道應(yīng)力分析校核按照幾臺泵同時操作考慮。

圖3 一開一備雙泵系統(tǒng)流程示意

對于無蒸汽伴熱的泵的進(jìn)出口管道，由于其備用溫度與操作溫度不一樣，如要使用彈簧支吊架，就要用到CAESARII的彈簧多工況設(shè)計(jì)，使彈簧同時滿足不同工況的要求。

2.3 泵與儲罐之間的柔性連接

在工程項(xiàng)目中，經(jīng)常會遇到從儲罐出液口到泵進(jìn)口的配管，為了防止沉降，儲罐出口一般會采用金屬軟管。對于這種情況，用CAESAR建模時，一般不建從儲罐出口到金屬軟管這一段，而從金屬軟管之后開始建模，直到泵的進(jìn)口為止。因?yàn)榻饘佘浌懿荒軅鬟f力和力矩，可以當(dāng)做自由端處理。

3 泵管口受力和力矩的控制途徑

3.1 支吊架的設(shè)置

(1)合理設(shè)置支吊架位置，盡可能保持整個管系的重量平衡。

(2)閥門附近設(shè)置支吊架。

(3)在適當(dāng)位置設(shè)置限位架，以阻止較遠(yuǎn)管道對泵的作用。

(4)摩擦力的影響較大時采用吊架。

(5)支架下加聚四氟乙烯，減小對管口的軸向推力。

3.2 管道的自然補(bǔ)償柔性

兩臺或多臺泵并排放置時，泵間管道產(chǎn)生的熱脹推力(力矩)往往是使泵受力超標(biāo)的主要原因，此時，可設(shè)法增加泵間管道的柔度。如圖4所示，此配管方式一般只用于泵出口管道為常溫的情況。當(dāng)管道為高溫時，很顯然，泵間水平管段的熱膨脹會造成泵口受力和力矩超標(biāo)，為了降低泵口受力和力矩，在泵出口管道三通匯合之前，盡量增加泵出口至三通管段的自然補(bǔ)償柔性，如圖5所示。

圖4 泵出口管道為常溫的配管方式(承重架R)

圖5 泵出口管道為高溫的配管方式

3.3 膨脹節(jié)的使用

如果需要選用膨脹節(jié)，則其一般用于泵的進(jìn)口管道，這是由于工藝上對某些泵進(jìn)口管路的阻力降或者對管道走向有嚴(yán)格要求，無法通過其他途徑來減小管口受力。除工藝流程明確要求外，使用膨脹節(jié)應(yīng)慎重。采用膨脹節(jié)補(bǔ)償方式時，必須在工藝條件允許使用(即膨脹節(jié)本身能滿足工藝條件)的前提下。下列情況方可采用：

(1)設(shè)備間距小，直接相連柔度不足，又無法采用其他布置形式；

(2)為追求最小壓降；

(3)彎管自然補(bǔ)償無法進(jìn)一步減小泵口受力；

(4)采用膨脹節(jié)比自然補(bǔ)償更為經(jīng)濟(jì)。

在尿素裝置蒸發(fā)系統(tǒng)中，由于尿液粘度大，對熔融泵入口管道阻力降有很高的要求，泵的入口管道要求彎頭盡量少。如圖6所示，S06114為真空分離器，T06114為真空分離器下面的尿液收集槽，P06108A/B為大顆粒造粒裝置給料泵。從T06114至三通之間管段為蒸汽夾套管，從三通至兩臺泵入口管段為蒸汽伴熱管。尿液溫度134 ℃、壓力0.03 MPa(A)；蒸汽溫度147 ℃、壓力0.34 MPa(G)。從T06114出口至兩臺泵的入口高度差約有14 m，且從T06114出口至三通管段要求為豎直配管，從三通至兩個泵的進(jìn)口都要求至少有50%的坡度。顯而易見，通過自然補(bǔ)償已經(jīng)無法使泵口受力滿足要求，必須使用夾套膨脹節(jié)，此膨脹節(jié)安裝在T06114出口的豎直管段上。

圖6 尿素蒸發(fā)系統(tǒng)給料泵流程示意

在甲酸鈉裝置中，濃縮液從二效蒸發(fā)器V-11107A底部d2口流出，經(jīng)二效蒸發(fā)循環(huán)泵P-11106A送入二效蒸發(fā)加熱器E-11105A(如圖7所示)。泵進(jìn)口和出口管道的操作溫度90 ℃、操作壓力0.2 MPa(G)。此流程中，E-11105A相當(dāng)于V-11107A的再沸器，工藝上要求管路阻力降最小，但無法通過自然補(bǔ)償?shù)姆绞浇档捅每谑芰Α?yīng)力計(jì)算時，在泵的入口設(shè)置一個橫向大拉桿膨脹節(jié)EJ-11101A，在泵的出口設(shè)置一個通用軸向型膨脹節(jié)EJ-11102A，用于吸收管道的豎直熱膨脹位移，從而使泵口的受力滿足要求。

圖7 甲酸鈉裝置二效蒸發(fā)循環(huán)泵流程示意

4 結(jié) 語

離心泵接管的柔性設(shè)計(jì)非常重要。設(shè)計(jì)中應(yīng)力分析時應(yīng)優(yōu)先考慮采用自然補(bǔ)償，通過支吊架的合理設(shè)置和增加管道的柔性，可以減小泵口的受力和力矩。對于無法采用自然補(bǔ)償?shù)那闆r，在工藝條件允許的情況下，可以通過設(shè)置膨脹節(jié)來減小管口受力。

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