大型循環水泵出口管道膨脹節使用與支架設計

萬 寧，周 濤

（中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

大型化工項目中，循環水泵進出口管道常見布置，如圖1所示；為方便管道安裝對中以及減少泵口受力和振動對管道影響，泵進出口管道都設置了膨脹節。循環水泵一般憋壓啟動，所以設置控制蝶閥，壓力起來后閥門緩慢開啟。此外，為避免停泵瞬間循環水倒流產生破壞性水擊現象，保證泵的安全，出口配有微啟緩閉式止回閥。

圖1 水泵進出口常見布置

由于管道的大型化（公稱直徑均超過DN1 000），閥門自重及管道充水后的重量都很大，為避免管道對泵口的荷載過大，泵出口管道支架的合理設計就顯得尤為重要。

某甲工程項目中，循環泵出口管道在試車時，閥門附近支架脫離管墩，即有脫空失效現象；某乙工程項目中，循環水泵試車過程中，泵體被推偏無法正常試車。本文以該兩個項目為例，來討論泵出口管道支架的合理設計及膨脹節的正確選用與安裝。

1 背景介紹與原因分析

1.1 甲項目問題介紹及分析

甲項目中，循環水泵出口管道規格為Φ1 219×12.7mm，管道材質API-5LB，管道從泵出口經過閥門后進入地下管網，詳細布置，如圖2所示。

圖2 甲項目泵出口管道模型圖

甲項目試車時,132點處的支架出現了明顯的脫空現象，112點處支架部分接觸面也出現脫空。管墩處的硬化地面并沒有裂痕，首先排除了管墩沉降的可能性。通過分析現場環境，發現由于現場地處沙漠地帶，安裝時的溫度為15~20℃，試車時地表環境溫度已接近50℃，但埋地管部分仍處于安裝溫度，此時管道中還沒有循環水，判斷屬于由溫差產生的熱脹現象。通過建立模型計算，也得出了同樣的結論，由于管道剛度大，管線應力滿足規范要求，載荷轉移到了72點支架及入地的主管處，且都在可以承受的范圍內，但泵口載荷變化卻不大，說明膨脹節起到了隔離管道載荷的作用，判斷可以進行啟泵試車，結果試車一切正常。

1.2 乙項目問題介紹及分析

乙項目中，循環水泵出口管道規格為Φ1 420×12mm，管道材質Q235B，循環水泵在試車過程中，泵殼體被推偏了6mm左右，造成試車失敗。泵體發生偏移，說明泵出口受到了較大的作用力，由于存在膨脹節的隔離作用，首先可以排除管道的沉降、熱膨脹等因素。經檢查發現泵出口管道選用了帶限位拉桿的金屬膨脹節，限位拉桿螺母和耳板之間存在間隙，判斷由于憋壓啟動，膨脹節不能平衡內壓，從而產生了較大的水平推力。

如圖3所示，金屬波形膨脹節中內壓盲板力等于內壓力乘以波形膨脹節的有效面積（波紋管中徑圓面積），為避免內壓盲板力造成金屬波紋管失效，必須提供其他裝置來承受內壓盲板力，如膨脹節附帶的拉桿、鉸鏈或萬向支架或外部固定支吊架。

圖3 膨脹節內壓盲板力

泵出口管道金屬膨脹節的中徑1 465mm，有效面積1.686m2，管道內壓為0.6MPa，故膨脹節傳遞出的內壓盲板力為1 011kN，正常情況下，其內壓盲板力由拉桿承擔，而不會傳遞到固定點及泵出口。由于膨脹節安裝后拉桿螺母和耳板之間存在間隙，導致拉桿松懈，不再承受盲板力，造成盲板力作用在了固定支架和泵出口。

為了驗證該結論，按照現場管道布置情況，建立應力分析模型，如圖4所示；其中230點處為滑動支架，緩閉式止回閥底部支架和下面管墩通過螺栓固定，240處按固定支架建模，管道在140處直接接入地下主管，埋地主管對管道有支撐作用，以及土壤摩擦力影響，可簡單地將140處模擬成承重加導向支架。現場膨脹節實際安裝情況是限位拉桿螺母和耳板之間存在間隙，沒有完全擰緊，CAESARII中設置參數時，將膨脹節拉桿處軸向限位支架設置2mm間隙。

圖4 乙項目泵出口管道模型圖

建立應力計算模型并運行，泵出口的受力計算結果如表1所示。計算顯示操作狀態下泵出口所承受的軸向推力達到了1 054kN，遠遠超過了泵出口處的允許受力，泵在這種受力狀態下運行，其基礎受到很大的水平推力荷載。

表1 乙項目泵出口受力表

從表1可以看出，應力分析得到的泵口受力大于膨脹節的盲板力，這是因為膨脹節的剛度反力和支架滑動時的摩擦反力共同疊加的結果。

膨脹節在使用過程中會產生拉壓和彎曲變形，會對固定點和約束型支架產生彈性反力，這個力的大小等于變形位移乘以相應的剛度，膨脹節軸向剛度為1 500N/mm，操作溫度40℃，相對于環境溫度20℃，泵口和固定點之間4m管道被壓縮的位移有0.84mm，由于限位拉桿螺母和耳板存在間隙，導致波紋管被壓縮，因波紋管壓縮產生的彈性力為1 260N，和內壓盲板力相比，彈性力很小，不會對固定點和泵出口造成過大的影響。

但是水泵出口尺寸較大，DN1400管道每米充水重約為20kN，4m管道的充水重約為80kN，如果存在滑動，鋼對鋼的摩擦系數0.3，此時支撐處的軸向摩擦力為24kN，對于泵這類敏感設備而言，這個力在計算時也是必須考慮的。

綜上，本案例中泵出口所承受的推力主要有膨脹節的內壓盲板力、膨脹節變形彈性力，以及支架摩擦力。其中，泵口所承受推力超標的主要因素是盲板力過大，其原因是膨脹節安裝偏差，造成波紋管被壓縮，加之支架設置不合理，導致本應該由膨脹節拉桿承擔的內壓盲板力傳遞到泵出口。

1.3 甲、乙項目對比分析

對比兩個項目，走向布置基本一致，只有膨脹節有差異，如圖5所示，左側為甲項目，右側為乙項目，甲項目膨脹節內側有雙螺母鎖緊，有效保證拉桿承受內壓盲板力，但橡膠長時間處于陽光直射容易老化，需要定期進行檢查。乙項目使用金屬膨脹節，柔韌性沒有橡膠好，且拉桿內側沒有鎖緊螺母，容易使拉桿無法承受內壓盲板力。

圖5 甲、乙項目膨脹節

2 改進措施及效果

2.1 甲項目改進措施

對于甲項目，觀察停機后支架的變化，發現由于運行時循環水溫度接近常溫，支架或已經回落到管墩，或與管墩的脫空間隙減小，充分說明了該處支架脫空是由于環境溫差引起。對于落回原處的支架，不進行額外處理，對不能完全落回原處的支架，將脫空間隙處用墊板補充，保證支架受力，分擔相應的管道載荷。另外，加固泵口第一個支架，避免再次由于支架脫空導致載荷轉移后支架承載能力不足。

2.2 乙項目改進措

針對乙項目，現場對泵出口管道支架進行了優化，如圖6所示。240處的固定架修改為承重加導向支架，允許管道在支架處存在軸向位移，并采用不銹鋼和PTFE接觸面的形式，降低滑動摩擦力。膨脹節拉桿螺母要求擰緊，螺母和耳板之間不允許有間隙，建模時將拉桿軸向限位支架間隙修改為0。同時230滑動支架采用不銹鋼和PTFE接觸面的形式，并設置單邊止推支架，承受軸向推力。

圖6 乙項目優化后的出口管道計算模型圖

為驗證整改方案的正確性，建立管道應力分析模型進行計算，泵出口處的受力計算結果如表2所示。

表2 乙項目優化后泵出口受力表

優化前后泵出口受力的對比情況，如表3所示，可以看出支架形式及膨脹節安裝按上述修改后，泵口所承受推力大幅度減小，且再次啟泵運行，試車結果一切正常。

表3 乙項目優化前后泵出口受力對比表

3 結語

對于大型循環水泵出口管道，其直徑大，自重及充水后載荷很大，支架數量應足夠，避免載荷過于集中。在環境溫差較大的項目，溫度變化引起的熱脹冷縮位移不能忽視，承重支架均宜采用不銹鋼對PTFE摩擦副，來降低因滑動產生的摩擦力。

泵出口緩閉式止回閥是為了防止介質倒流及水錘，對支架要求高，閥門本體都帶有螺栓孔的底座，閥門安裝時直接用螺栓固定在管墩上，故建議閥門底座螺栓孔設置成長圓孔，允許閥門在支撐處可以少量的軸向滑動，底座宜采用不銹鋼板，管墩處墊PTFE板，減小摩擦力。

大型循環水泵出口管道膨脹節主要作用是隔振，減少泵振動對管道的影響，同時也有利于安裝時管道對中，因此宜選用隔振效果好的橡膠膨脹節。在編制膨脹數據表時，應明確膨脹節必須帶拉桿限位裝置，拉桿限位裝置能夠承擔內壓盲板力，端板兩側都有鎖緊螺母。由拉桿限位裝置承擔內壓盲板力，安裝時拉桿螺母和耳板不留間隙。膨脹節附近支架應為滑動支架，且設置單邊止推支架，允許管道軸向移動的同時，避免出現案例中膨脹節拉桿松懈，產生的內壓盲板力傳遞到泵口的情況。