化工離心泵入口直管段設(shè)置的分析

張 雷

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

離心泵是指靠葉輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力來輸送液體的泵。工程項目選用泵型多為離心泵。離心泵型式有多種分類方式，以設(shè)計接觸較多的類型舉例：

(1)按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為：單吸泵，雙吸泵(按葉輪吸入方式來分類)；單級泵，多級泵(按葉輪數(shù)目來分類)。上述泵從外觀上無區(qū)別，出入口均為一個。

(2)按泵的進(jìn)出口位置分為：側(cè)進(jìn)頂出型，側(cè)進(jìn)側(cè)出型和頂進(jìn)頂出型。

泵進(jìn)口管道的壓力降應(yīng)滿足工藝要求，且不應(yīng)存在氣袋，如難于避免，應(yīng)在高點設(shè)放氣閥。泵進(jìn)口管道的其柔性分析應(yīng)滿足泵制造廠或API Std 610關(guān)于泵口受力的要求。[1]

1 泵入口直管段的要求

對于水平吸入的離心泵，在一些泵手冊及相關(guān)規(guī)范中明確給出了泵入口直管段的長度要求，現(xiàn)就該設(shè)置具體分析對比。

1.1 相關(guān)手冊對泵入口直管段的要求

《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊》[2]側(cè)面吸入的離心泵和第一個管件之間要有一段長度大于三倍管徑的直管段，然后才能連接彎頭。對于雙吸離心泵，泵吸入口法蘭前方應(yīng)有7倍管徑以上的直管段，以防止有彎頭引起介質(zhì)偏流。《工業(yè)泵選用手冊》[3]中建議，為保證泵吸入口流體的軸對稱性，距泵進(jìn)口法蘭面應(yīng)有至少7倍進(jìn)口管徑的直管段，在此直管段內(nèi)不得設(shè)置閥門、彎頭、三通、軟接頭等管路附件。《工業(yè)泵設(shè)計選用安裝與運行維護(hù)實用技術(shù)手冊》[4]中建議，為了有一個最優(yōu)的流動形式，避免對葉輪的干擾，要求吸入管在緊靠泵吸入法蘭前的直線長度至少有8倍的管徑(例如一個小曲率半徑的彎管和T形接頭之后)。長半徑的彎管或者同心異徑管之后，建議使用一個至少是3倍管徑長的直段管。

1.2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對泵入口直管段的要求

《石油化工金屬管道布置設(shè)計規(guī)范》SH3012[5]對離心泵入口直管段的描述。見表1。

表1 SH3012的2000版與2011版關(guān)于離心泵水平吸入口直管段設(shè)置對比

《風(fēng)機、壓縮機、泵安裝工程施工及驗收規(guī)范》GB50275-2010[6]中4.1.5第7條：泵的吸入和排出管道的配管應(yīng)符合設(shè)計規(guī)定；無規(guī)定時，應(yīng)符合本規(guī)范附錄C的規(guī)定；針對附錄C中C.0.2第1)條：泵入口前的直管段長度不應(yīng)小于入口直徑的3倍。

2 水平吸入口的直管段的設(shè)置分析

化工裝置中，水平吸入口的泵應(yīng)用較為普遍，見圖1。

圖1 水平吸入泵入口配管

根據(jù)泵選型要求及管道流速要求，一般泵口口徑較管道小1～2級，這必然會在泵口處管道增加異徑管，上文手冊中提出泵口與第一個管件至少有3倍管徑的直管段，規(guī)范中也提出泵口與異徑管至少有3倍管徑的直管段，這主要是為防止泵入口流體在經(jīng)過管件時產(chǎn)生偏流，保持層流進(jìn)入，避免流體對泵的葉輪產(chǎn)生擾動，使泵的性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，同時延長泵的使用壽命。

同時，泵廠家會提供泵的管口受力范圍，見圖2。

圖2 某廠家離心泵出入口許用荷載

從圖2可以看出，泵吸入口及出口允許受力及力矩均較小，在應(yīng)力計算時，為滿足泵吸入口的受力要求，同樣需在泵入口與異徑管之間增加合適的直管段，增加管道柔性，以減小管道對泵口的受力。

3 頂進(jìn)泵實例分析

與水平吸入口泵不同的是，頂進(jìn)泵一般體積較大，泵的出入口管徑也較大，按照手冊及規(guī)范要求增設(shè)入口直管段，會占用較大泵頂空間，舉例說明：在某10萬噸/年1,4丁二醇(BDO)裝置內(nèi)，BDO精制單元中，4組塔底泵均為臥式離心泵(BB2)，葉輪雙吸型，布置于框架下側(cè)，配管見圖3。

圖3 頂進(jìn)單級雙吸泵入口配管

泵入口為垂直向上，高度為2 m左右，泵入口口徑為DN500,入口管道管徑為DN600，中間加法蘭及異徑管，后加彎頭，高度達(dá)到5 m左右，且入口需增設(shè)過濾器及閥門，入口介質(zhì)為1,4丁二醇，操作溫度173℃，操作壓力0.2 MPa(G)。

配管除滿足操作檢修外，仍需滿足應(yīng)力計算結(jié)果，滿足泵口許用荷載范圍。API610中提出的允許值相對較小，偏于保守，一般泵廠家提供的出入口許用荷載為API610中允許值的三倍，與CEASER II計算值對比見表2。

表2 泵入口允許最大應(yīng)力與計算值對比

從表2可以看出，此泵入口配管形式滿足泵口許用荷載。

如果再增設(shè)3D～5D直管段，即增加1.5 m～2.5 m的泵頂空間，框架及塔裙座均會相應(yīng)增高，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備及管道成本加高。綜合考慮，取消泵入口直管段，通過試泵，泵運行良好，并未產(chǎn)生振動及其他問題，各項參數(shù)均符合泵廠家及工藝要求。

在某煤氣化裝置內(nèi)，熱回收單元中，鍋爐給水泵為臥式(BB4)多級離心泵，泵入口配管形式為入口切斷閥及過濾器沿地敷設(shè)，上翻后接入泵入口，見圖4。

圖4 頂進(jìn)多級泵入口配管

由于泵入口管道存在氣袋，故在入口處增加放空，泵入口與法蘭、異徑管、彎頭直連，并無直管段，在冷水試車時，泵入口出現(xiàn)震動，現(xiàn)場修改方案為:在異徑管與法蘭之間增設(shè)3D直管段，單機試車時，仍然震動，現(xiàn)場再次修改，將法蘭與異徑管直連，異徑管前加直管段，再次試車，震動消除。如果加5D或更長直管段，會增加泵入口管氣袋高度，根據(jù)伯努利方程，勢能增大，不利于泵入口液體吸入，故泵口直管段不宜過長。

4 結(jié)語

以上結(jié)合國內(nèi)外泵手冊及標(biāo)準(zhǔn)，簡要對比分析了泵入口直管段要求,并舉例分析了水平吸入及頂進(jìn)泵的入口直管段設(shè)置及實際運行工況，水平吸入離心泵的進(jìn)口法蘭與偏心異徑管(或彎頭、三通、閥門等擾流元件)之間宜設(shè)置一段直管段。對于單吸泵的進(jìn)口處，最好配置一段長度大于入口直徑3倍的直管段。對于雙吸泵的進(jìn)口處，當(dāng)吸入側(cè)的第一個彎頭是水平安裝且彎頭是長曲率半徑的彎管時，在泵的吸入端和第一個彎頭之間最好配置一段長度大于入口直徑5倍的直管段；當(dāng)吸入側(cè)的第一個彎頭是水平安裝且彎頭是短曲率半徑的彎管時, 在泵的吸入端和第一個彎頭之間最好配置一段長度大于入口直徑8 倍的直管段。頂進(jìn)雙吸單級離心泵的進(jìn)口法蘭與偏心異徑管(或彎頭、三通、閥門等擾流元件)之間根據(jù)實際情況可不設(shè)直管段。頂進(jìn)多級離心泵的進(jìn)口法蘭與同心異徑管直連, 異徑管與彎頭之間宜配置長度大于入口直徑3倍直管段。