離心泵管道應力淺析

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

1 離心泵管口受力要求及應力分析原則

泵作為一種轉動設備，在整個裝置中作為輸送介質的動力源。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：側面吸入和側面排出、軸向吸入和頂部排出、頂部吸入和頂部排出(如圖1所示)。離心泵屬于回轉機械，管道作用于泵的載荷過大時，會引起轉子的不對中，轉子和定子之間的間隙改變，引起泵的磨損和振動，影響泵的正常運行，降低其使用壽命，因此，離心泵的管道應力分析至關重要。

圖1 臥式離心泵的型式

離心泵管口受力和力矩的標準通常由制造廠提出。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會標準API610的規定(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表中數值均為絕對值。

因此，管道布置及應力分析中的首要問題就是，如何增加管系的柔性，以使其應力滿足判定標準及其推力符合要求。泵管道應力分析應當遵循以下原則：

(1)應力分析后的泵口外力應滿足受力(力矩)要求；

(2)應力分析提出的任何管道方面的修改應符合工藝要求；

(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，還應使管系有足夠的抗振性能，防止由于流體沖擊、泵的轉動不平衡、風載及地震等動荷載引起管系振動。

2 建立應力計算模型遇到的幾類問題

CAESARⅡ是由美國COADE公司研發的壓力管道應力分析專業軟件，以其功能強大、操作簡單而受到眾多用戶的喜歡，成為當今通用的石油化工管道應力分析軟件。本文對離心泵管道應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。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，可以計算出泵口的熱位移，用CNODE的形式輸入固定點，再在位移界面輸入位移。如圖2所示，10點是管道上的點，虛擬一個1000點為泵口。先10點ANC在1000點上，然后1000點指定位移。目前的情況下很難將泵口比較真實地模擬，一般廠家提供的資料也就是設備外形圖而已，管道應力分析人員可根據泵的外形圖來計算出管口的熱位移。

圖2 離心泵管口的模擬

2.2 管道計算溫度的選取

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

(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段的計算溫度；

(3)取環境溫度作為備用泵到切斷閥之間TS管段的計算溫度。

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

圖3 一開一備雙泵系統流程示意

對于無蒸汽伴熱的泵的進出口管道，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的彈簧多工況設計，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

在工程項目中，經常會遇到從儲罐出液口到泵進口的配管，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，直到泵的進口為止。因為金屬軟管不能傳遞力和力矩，可以當做自由端處理。

3 泵管口受力和力矩的控制途徑

3.1 支吊架的設置

(1)合理設置支吊架位置，盡可能保持整個管系的重量平衡。

(2)閥門附近設置支吊架。

(3)在適當位置設置限位架，以阻止較遠管道對泵的作用。

(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 管道的自然補償柔性

兩臺或多臺泵并排放置時，泵間管道產生的熱脹推力(力矩)往往是使泵受力超標的主要原因，此時，可設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，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 膨脹節的使用

如果需要選用膨脹節，則其一般用于泵的進口管道，這是由于工藝上對某些泵進口管路的阻力降或者對管道走向有嚴格要求，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，使用膨脹節應慎重。采用膨脹節補償方式時，必須在工藝條件允許使用(即膨脹節本身能滿足工藝條件)的前提下。下列情況方可采用：

(1)設備間距小，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)彎管自然補償無法進一步減小泵口受力；

(4)采用膨脹節比自然補償更為經濟。

在尿素裝置蒸發系統中，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口都要求至少有50%的坡度。顯而易見，通過自然補償已經無法使泵口受力滿足要求，必須使用夾套膨脹節，此膨脹節安裝在T06114出口的豎直管段上。

圖6 尿素蒸發系統給料泵流程示意

在甲酸鈉裝置中，濃縮液從二效蒸發器V-11107A底部d2口流出，經二效蒸發循環泵P-11106A送入二效蒸發加熱器E-11105A(如圖7所示)。泵進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，但無法通過自然補償的方式降低泵口受力。應力計算時，在泵的入口設置一個橫向大拉桿膨脹節EJ-11101A，在泵的出口設置一個通用軸向型膨脹節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循環泵流程示意

4 結 語

離心泵接管的柔性設計非常重要。設計中應力分析時應優先考慮采用自然補償，通過支吊架的合理設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償的情況，在工藝條件允許的情況下，可以通過設置膨脹節來減小管口受力。

參考文獻：

[1]唐永進著.壓力管道應力分析[M].北京:中國石化出版社，2003.

[2]美國石油學會編，沈陽水泵研究所編譯.石油、重化學和天然氣工業用離心泵[S].ANSI/API 610-2004.

[3]張德姜，趙勇主編.石油化工工藝管道設計與安裝[M].北京：中國石化出版社，2001.