淺談往復泵管道設計要點

敬文娟

(新地環(huán)保技術有限公司，河北 廊坊 065000)

往復泵主要適用于高壓(或超高壓)、小流量，要求泵的流量恒定或定量(計量)或成比例地輸送各種不同的介質(zhì)(液體)，或者要求吸入性能好或者要求有自吸性能的場合。(往復泵設計)其特點是其他類型泵不及的，因此廣泛應用于石化、環(huán)保等行業(yè)中。

往復泵是借助于活塞(柱塞)在液缸工作腔內(nèi)的往復運動(或通過隔膜、波紋管等撓性元件在工作腔里周期性彈性變形)來使工作腔里的容積周期性變化來達到輸送液體的目的。

在往復泵管道設計階段，設計師沒有過多關注管道是否會發(fā)生泄漏、斷裂或振動情況。一般在現(xiàn)場出現(xiàn)問題后，由多方面的專家來共同處理，解決問題。例如現(xiàn)場管道出現(xiàn)振動情況時，現(xiàn)場找尋相關振動檢測機構(gòu)來進行檢測，根據(jù)結(jié)果找到引起振動的原因，進一步進行解決。如果在管道設計階段就多加關注，尤其是小細節(jié)方面，總結(jié)各項目現(xiàn)場經(jīng)驗，那么在以后的設計當中，是否就可以有效的避免現(xiàn)場再次出現(xiàn)類似的問題。

下面就以現(xiàn)場出現(xiàn)過的幾個問題來進行描述，給予一定的設計建議。

1 現(xiàn)場問題

1.1 泄 漏

往復泵進出口管道上，泄漏點出現(xiàn)在三通上接閥門處的焊縫上。現(xiàn)場有分支的管道布置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場出現(xiàn)漏點的局部圖

從圖1中可以看到分支三通直接焊接了閥門的連接法蘭，后接閥門。由于閥門自身重量為得到一定的支撐，使其所有的重量都壓在了三通的焊縫上，從而導致焊縫出現(xiàn)了漏點。針對主管上有分支，且需就近加閥門時，需要考慮加入直管段，同時在直管段上加入角撐板，將閥門的重量引到主管上，在主管的三通兩端增加支撐，使在保護焊縫的同時，所有的重量轉(zhuǎn)移到了支架上，保證了管道系統(tǒng)的安全。其改造后的布置如圖2所示。

圖2 改造后的局部圖

1.2 斷 裂

現(xiàn)場的斷裂出現(xiàn)在儀表管道上。往復泵出口會設置壓力表，以觀察流體的壓力變化。圖3為現(xiàn)場的分支管布置情況，當沒有任何支撐時現(xiàn)場運行一段時間，壓力表下面出現(xiàn)了管道的直接斷裂。

圖3 現(xiàn)場壓力表布置圖

往復泵出口管道壓力脈動，會作用在支管上，同時分支處流體剝離，形成了湍流，湍流也會對支管內(nèi)的流體產(chǎn)生周期性擠壓，而引起支管振動。由于支管沒有任何約束和限制或者說支架/管夾沒有支撐連接末端的自由質(zhì)量體，振動傳輸?shù)綁毫Ρ砀浇鼤r，振幅增大，經(jīng)過一段時間的運行，出現(xiàn)疲勞，管道斷裂。

分析問題后，現(xiàn)場采取了儀表管和主管上同時放置管夾，并用角鋼將兩者連接，同時避免角鋼支撐在一個平面內(nèi)，起到了一定的支撐限制作用。如圖4所示。增加支撐后，現(xiàn)場還未出現(xiàn)支管末端斷裂的情況。

1.3 振 動

振動出現(xiàn)在往復泵進出口管上。往復泵管道的振動受多方面因素影響。

1.3.1 往復泵機組本身振動引起的管道振動

導致往復泵機組振動的原因很多[1]，總體可以分為三類：①往復泵機組的制造精度和安裝質(zhì)量沒有達到要求，即往復泵機組本身的動平衡性能差、安裝不對中等；②結(jié)構(gòu)設計存在一定缺陷，慣性力、慣性力矩平衡不夠，機組構(gòu)件剛度不夠等；③往復泵基礎剛度不夠。這種振動可以直接或者通過基礎傳遞到管道上，造成管道局部應力集中，嚴重時出現(xiàn)疲勞裂紋，而影響裝置的正常運行。

設計階段選擇合適的往復泵，指定有經(jīng)驗的廠家，保證往復泵的質(zhì)量；對其基礎，宜采用環(huán)氧樹脂二次灌漿。環(huán)氧樹脂可以很好的改善往復泵基礎的減振性能。

現(xiàn)場進出口管道的首個支撐坐落在泵基礎上。考慮到可能由于泵引起基礎振動，從而有支撐傳遞到管道上。首先將支撐移動地面上，避免與泵基礎聯(lián)合支撐。現(xiàn)場效果有限，認為不是泵本身的振動而帶動管道振動。

1.3.2 壓力脈動引起管道振動

由于往復泵結(jié)構(gòu)和工作特點，導致其入口和出口管道內(nèi)的液體呈現(xiàn)脈動狀態(tài)，使管路中的流體參數(shù)(如壓力、流量、速度等)隨著活塞位置及時間做周期性的變化，管內(nèi)壓力在平均值上下脈動，產(chǎn)生了壓力脈動。在管道中流速和方向突變處，如彎頭、變徑或控制閥等處，壓力脈動會產(chǎn)生相應的隨時間變化的激振力，管道變化產(chǎn)生一定的機械振動響應。壓力脈動越強，管道振動越厲害。

1.3.2.1 激振力計算

壓力脈動的大小可用壓力不均勻度δ表示[2]：

(1)

式中：Pmax——最大壓力

Pmin——最小壓力

壓力脈動ΔP是指偏離平均壓力的最大幅度：

(2)

壓力脈動大小可由下式計算[3]：

ΔP=ρ*C*Δv

式中：ρ——水的密度

Δv——流體速度的變化量

(3)

E——水的彈性系數(shù)，N/m2

E0——鋼管彈性系數(shù)，N/m2

d——鋼管內(nèi)徑，m

e——鋼管壁厚，m

δQ1和δQ2——流量不均勻系數(shù)

Qmax——最大流量, m3/s

Qmin——最小流量, m3/s

Qm——平均流量，m3/s

如圖5所示作用在彎頭上的激振力。

(4)

式中：ΔR——激振力，N

di——管道內(nèi)徑，m

S——管道流通面積，m2

ΔP為壓力脈動，Pa

圖5 彎管處的激振力

圖6 異徑管上激振力

圖6中1-1截面流通面積為A1，向右推力為PmA1,2-2流通面積為A2,向左推力為PmA2,兩者合力R為流體作用在異徑管上的作用力力，R=PmA1-PmA2=Pm(A1-A2)

當流體存在壓力脈動時，與彎管類似，作用在異徑管上的激振力為：

現(xiàn)場進出口管道上彎頭較多，支撐偏少，還采用了直接接觸的U型螺栓支撐。后期增加支撐的數(shù)目，采用防震管夾，起到一定的限制作用，但效果不太理想。進而懷疑是泵內(nèi)部流體脈動引起的。在泵進出口附近增加了小容量預壓式緩沖罐，起到一定的防震效果。為確保管系穩(wěn)定，又增大了緩沖罐的容積，整個管系防震效果良好。

1.3.2.2 預壓緩沖罐容積估算[4-5]

現(xiàn)場采用了預壓緩沖罐。隔膜式預壓緩沖罐有3部分組成，分別為充氣膠囊、器體和連接結(jié)構(gòu)，其中充氣膠囊是主要的工作部分。其工作原理是利用氣體的可壓縮性，將液體能量蓄積，在液流低峰時釋放，起到蓄能、穩(wěn)壓、補償、緩沖和消除脈沖的目的。

預壓緩沖罐容積的計算方法可以參考下式：

(5)

式中：V0——所需預壓緩沖罐的容積，m3

K——緩沖罐系數(shù)，預壓式取1

Pkm——泵運轉(zhuǎn)時，緩沖罐內(nèi)惰性氣體平均壓力，取管道操作壓力

β——剩余流量系數(shù)

Vs——活塞的行程容積，m3

Pk——緩沖罐內(nèi)系統(tǒng)充氣壓力，按泵壓力的60%考慮

Ph——管路壓力損失之和，按系統(tǒng)管道壓力估算

δ——管路中允許的流量不均勻度，可根據(jù)使用要求選定

1.3.3 共振引起的管道振動

在研究和分析往復泵管道系統(tǒng)振動時，系統(tǒng)中存在著三個固有頻率和兩個振動系統(tǒng)。液柱本身具有的液柱固有頻率、管道及組件構(gòu)成結(jié)構(gòu)本身的管系機械固有頻率和往復泵中活塞往復運動頻率為激發(fā)頻率。管內(nèi)液體形成的液柱系統(tǒng)和管道結(jié)構(gòu)的機械系統(tǒng)，這兩個振動系統(tǒng)均由壓力脈動激發(fā)而產(chǎn)生。工程上通常以0.8～1.2倍的固有頻率范圍作為共振區(qū)。當三個固有頻率或者其中兩個落在共振區(qū)時，系統(tǒng)會產(chǎn)生共振，表現(xiàn)為耦合振動。振動的疊加必然會產(chǎn)生該階頻率的共振，使管系產(chǎn)生較大的位移和應力，甚至導致管道破壞。

1.3.3.1 液柱固有頻率計算

①管道一段封閉(往復泵端)，另一端為開口(如連接緩沖罐)。

(6)

式中：i——液柱固有頻率的階次

當i=1時，計算的頻率稱為基頻；當i=3時，計算的頻率為第二階固有頻率，其它類推

a——液體的聲速，m/s

l——管道長度，m

②兩端均為開口的管道(如兩個大容器之間的管道連接)

液柱的固有頻率取決于管系的配管方式、長度、管徑、容器容積的大小和配置位置以及液體的種類和溫度等，改變管道和容積的尺寸以及配置方式，可改變管系的液柱固有頻率。

1.3.3.2 管系機械固有頻率[6]

①無集中荷載時，懸臂梁或簡支梁的固有頻率δ：

(7)

式中E——彈性模數(shù)，kg/cm2；W——管子總重量(包括保溫、液重)，kg；l——管架間距，cm；α的取值可根據(jù)邊界約束的不同，查表格選取；

②有集中荷載時，其固有頻率δ：

(8)

式中：P——集中荷載，N

ε和α——梁的形式和集中荷載的位置查表選取

1.3.3.3 激發(fā)頻率

往復運動激振頻率計算公式為：

(9)

式中：n——缸體數(shù)，n=1,2,3

N——轉(zhuǎn)速，r/min

P——作用數(shù)

現(xiàn)場運行階段，當泵出口壓力達到某一特定值時，出口管系振動厲害。懷疑產(chǎn)生了共振，在后期運行中，中控室會刻意避開這一壓力值，確保現(xiàn)場穩(wěn)定。

2 設計注意事項

在今后的往復泵管道設計時，關注一些下面幾項：

2.1 進出口設置預壓緩沖罐

首先要考慮緩沖罐的加入，預先減緩往復泵產(chǎn)生的脈動流量和脈動壓力。

2.2 合理設置支撐

采用管夾與管道之間襯以軟木或橡膠墊，使其具有一定的彈性，吸收管線的振動；或者直接采用防振管夾，能有效地防止因振動而引起的管道疲勞失效[7]。面接觸的管夾，增加了管道支撐剛度，提高了管道自身的固有頻率。小分支管上增加支撐，并將其依附在主管上，避免與其他的管道設備或其他附件結(jié)構(gòu)相連接支撐。主管豎向分支管時，避免三通與閥門直接連接，應采用直管段加閥門，在直管段上增加角撐板，將閥門重量轉(zhuǎn)移到主管上，并在主管的三通兩側(cè)增加支撐，避免閥門重量直接作用的三通的分支上，使焊縫破裂。對于常溫管道，適當增加支撐，使支撐跨距是標準跨距的1/2。

2.3 優(yōu)化管道布置

減少不必要的彎頭和異徑管，避免管內(nèi)方向的突然改變及管徑的突然收縮。管道鋪設時盡量靠近地面，地面支撐給予管道一定的穩(wěn)定性。同時當是應力管道時，增加的管道補償也盡量放置在地面上，同時增加一定的導向和限位，提高管道系統(tǒng)剛度，避免柔性太大，引起管道振動。

2.4 多加關注往復泵進口管道

同時關注往復泵進口管道的振動，有時出口管道的振動是由進口管引起的。但出口管的振動一般不會對進口管有影響。

2.5 避免發(fā)生共振

通過計算液柱本身具有的液柱固有頻率、管道及組件構(gòu)成結(jié)構(gòu)本身的管系機械固有頻率和往復泵中活塞往復運動激發(fā)頻率，使其相互避開共振區(qū)，確保管系穩(wěn)定運行。