大型中開泵進出口壓差對機組運行的影響研究

普國偉

（廣東肯富來泵業股份有限公司，廣東佛山 528131）

1 故障現象

某化工廠循環水泵改造項目中用于替換舊泵選用的離心泵是進口口徑DN1200、出口口徑DN1000 的大型單級雙吸水平中開臥式離心泵，新泵投入使用后出現聯軸器膜片頻繁斷裂的問題。為找出問題原因，使用百分表測量，具體方法為：分別在泵啟動后達到平穩運行時和停泵后測量泵非驅動端軸承體A、驅動端軸承體B 和泵腳C 處的位移量，其中A、B 處的位移量測量以地面為基準，測量C 處位移以泵基礎為基準，測點布置如圖1 所示，測得數據見表1。表中“+”為沿管路方向從泵進口向泵出口方向位移，反之為“-”。

表1 測量數據

圖1 測點布置示意

2 故障分析

通過測量數據，認為泵軸承體處位移量明顯，且A 處和B 處位移量不同，聯軸器膜片頻繁損壞可能是泵本身的強度設計不足，在運行過程中產生彈性形變造成。了解測量經過并分析數據結果，認為判定泵本身是否產生形變或位移需要對上述測量方式進行改進。在測量泵軸承體處的形變量時，要以泵腳或泵的其他相對固定的位置為測量基準，而不是以地面為測量基準。而上述軸承體A、B 處測量得的數據為泵軸承體相對地面產生的位移量，無法證明泵本身產生了形變；其次，若整個泵殼產生較大的形變，根據API 610—2004《石油、重化學和天然氣工業離心泵》規定的泵內部葉輪和密封環間隙值[1]，3 mm 的變形量足以導致葉輪和密封環卡死，從而導致泵無法正常運轉，但故障設備除聯軸器膜片損壞以外，運行一切正常。

聯軸器膜片損壞排除機組對中問題和膜片本身的質量問題以外，可能原因還有水泵整體位移、水泵變形位移、水泵水泥基礎位移、管道應力等。基于以上造成水泵位移的可能原因，需要測量水泵啟動運行后達到平穩運行狀態時與停泵后位移對比，以便分析泵運行時產生位移的原因，針對以上問題重新擬定新的測量方案。

3 改進測量方式重新測量

3.1 改進測點布置

參考泵振動較大的位置[2]和泵可能產生變形或位移的位置布置測點，改進后的測點布置如圖2 所示。

圖2 改進后的測點布置

（1）以水泵靠近出口的泵腳為基準，使用百分表測量水泵非驅動端軸承座位移量①、驅動端軸承座位移量②。此處測點數據可體現泵軸承座相對泵腳的位移量，分析泵本身是否產生變形。

（2）以泵基礎面為基準，使用百分表測量水泵進口法蘭的位移量③、出口法蘭的位移量④，測量靠近泵出口的泵腳在管路方向上的位移量⑤及在豎直方向上的位移量⑥。此處測點數據可體現泵相對泵基礎在各個方向上的位移量，分析泵是否位移和位移趨勢。

（3）以地面為基準，使用百分表測量靠近水泵進口處的水泵水泥基礎在管路方向的位移量⑦，測量靠近水泵出口處的水泵水泥基礎在管路方向的位移量⑧。此處測點數據可體現水泵水泥基礎位移量，分析水泵水泥基礎是否位移和位移趨勢。

3.2 測量方式及操作步驟

步驟1：布置測點，把百分表安裝到需要測量的位置，百分表調零，記錄百分表底數讀數。

步驟2：啟動泵，調節閥門，使泵的出口壓力達到額定工況點，泵穩定運行后，記錄此時的百分表讀數。

步驟3：記錄所有測點的讀數后，再次進行百分表調零，并記錄百分表底數讀數。

步驟4：停泵，待泵完全停止后記錄百分表的讀數。

3.3 測量數據

改進測量方式后的測量數據見表2。表中“+”為沿管路方向從泵進口向泵出口方向位移，反之為“-”。從實驗數據可以看出測點⑦和⑧明顯異常，數值遠超正常偏移量，而其他測點的測量值相對正常，說明泵基礎在泵啟動運行后達到平穩運行狀態時和停泵后相對地面產生了明顯偏移，啟動時沿管路方向從泵出口向泵進口方向偏移，停泵后基本復原。從現場也可以看到地面和泵基礎之間有明顯的裂縫。通過實驗證明了泵基礎存在較大的問題，同時其他測點的數值也說明泵本身沒有產生初始認為的嚴重變形。

表2 測量數據（改進后）

3.4 原因分析

由于泵系統在工作時，流體經過泵葉輪做功增壓，泵的出口壓力大于進口壓力，出口和進口存在壓差，方向由出口指向進口，此壓差力與泵的口徑和揚程有關。以此項目為例，泵出口口徑為DN1000，泵關死點壓力為0.73 MPa（G），在垂直出口法蘭面指向進口方向上受到的推力F 約為639 kN。若與泵連接的管路無有效的固定與支撐，泵啟動工作時此推力將作用于泵法蘭和基礎上。

某些改造項目為降低改造成本不愿改變原有基礎，忽略了擴容后原有基礎的適用性，導致泵機組運行中存在較大的安全隱患，機組維護成本也大大增加。上述案例中因新泵流量、揚程增加，口徑加大，但泵基礎還利用舊泵的基礎，此時泵的基礎強度顯然不足。推力將導致基礎產生變形和偏移，嚴重時基礎和地面間會出現清晰可見的裂縫，同時會導致聯軸器不對中聯軸器膜片損壞，嚴重時會損壞泵和電機軸承，甚至造成泵的主軸斷裂，嚴重影響設備使用壽命。

除泵的基礎存在問題以外，項目在管路安裝方面也有明顯缺陷。因為是改造項目，現場安裝尺寸受到許多客觀因素限制，為滿足新泵的安裝尺寸，泵進口管路上安裝的膨脹節多達3 個，且膨脹節均處于活動狀態。在泵與管路安裝完成對中后，膨脹節若沒有進行剛性連接及有效固定，會在泵啟動或停機時受力壓縮或拉伸，使泵受到額外的力。過多的膨脹節會增加管路系統的不確定性，一般情況下每2 個固定支座之間只能安裝1 個非約束型膨脹節。從現場還可以看到膨脹節有明顯變形，而根據標準規范不應采用膨脹節變形（拉伸、壓縮、橫向位移、角位移）的方法補償管道的安裝誤差[3]。與泵組連接的管道應從泵組側開始安裝，并應先安裝管道支架，管道和閥門等的重量和附加力矩不得作用在泵組上[4]。

4 改進措施

在實際工程案例中，類似案例并不少見，另一個項目案例中也出現了類似問題。同樣最初也是發現了多臺泵聯軸器膜片發生斷裂，停泵檢查后發現：泵在底座上向泵入口方向發生偏移，最大偏移量達7 mm，打表復測其他的泵，發現全部都有泵入口方向位移的現象。經現場排查，發現與泵連接的進出口管路上也安裝有膨脹節，且膨脹節均處于自由活動狀態。由此可見，泵啟動后發生位移，管路沒有得到有效支撐固定，是泵位移的主要原因。

該項目因泵帶獨立底座，用戶提出在泵底座上增加止推裝置，強行固定住泵腳。泵作為循環系統的一部分，整個系統中的各部分是相輔相成的在工作運行中各司其職。僅在泵底座上增加止推裝置的方案看似暫時固定住了泵，使其不位移，但是泵獨自承受了整個系統的推力。若長時間在此工況下運轉，泵將產生不可逆的塑性變形，影響泵的使用壽命。在其他項目中就出現了因管路安裝不符合規范而導致泵進出口法蘭被拉裂的情況，所以只固定泵腳非長久之計。要從根本上解決此問題，必須要做好管路支撐和固定。

上述案例提醒泵設計者在校核泵法蘭強度時，需同時考慮密封力、介質力、預緊力三部分[5]，特別是介質力（即泵進出口壓差力）一項在實際案例中對泵組的影響不可小覷。根據泵的安裝規范，與泵連接的管路應具有獨立，牢固的支承[6]。管道的常見支撐和約束結構有支墩和鎮墩（圖3）。支墩的作用是支承管道，承受水重和管道重量的垂直方向分力，限制管道的徑向位移；鎮墩的作用是固定管道并承受管道傳來的軸向力，限制管道的軸向位移[7]。雖然在工程案例中支墩和鎮墩的結構形式和安裝方式多種多樣，但在管道安裝時必不可少。

圖3 支墩和鎮墩

此外還需要注意的是，在我國沿海地區，很多大型化工廠廠址靠近海邊，部分廠址是由圍海造田而得，故較常出現基礎下沉的現象。當基礎下沉后原本支墩的作用減弱，甚至部分支墩已經與管道分離，失去支承作用。在某些實際工程案例中，為了降低成本或受場地限制，往往會減少鎮墩的數量。如需安裝膨脹節，膨脹節兩側應設置2 個鎮墩以承受管道軸向力。若場地條件不允許，可采用帶穿杠的膨脹節，待管路安裝完成后用穿杠鎖緊膨脹節，使之與管路最終是剛性連接的。若不采取相關措施，在與泵連接的管道處于自由或可活動狀態下啟動泵組，泵或泵基礎必然會產生位移。

5 結束語

綜上所述，在泵的安裝改造中，為節約成本而減少甚至不設置支墩、鎮墩的方法是不可取的，系統管路的安裝需符合標準規范。泵進出口的壓差是整個系統的動能，只有在管路安裝時合理設置支墩和鎮墩，使得泵附近的管道得到適當的支撐和約束，泵機組才能平穩運行，延長使用壽命，達到最佳的工作狀態。