大型循環水泵工程設計實踐

張 煒，黃漢華，孫景偉

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢430223)

當前，石油化工裝置正不斷地朝著大型化和園區化方向發展。循環冷卻水裝置作為其中重要的基礎公用工程設施，其生產能力也在不斷擴大。大型循環水泵作為循環水裝置的關鍵轉動設備，其運行狀態的好壞直接關系到整個生產裝置和園區的安全穩定運行。

通過總結工程項目實踐以及相關文獻中提到的案例[1-5]，發現大型循環水泵在試車過程中經常出現如下問題：泵軸以及泵軸承損壞、電機軸承損壞、聯軸器膜片損壞、泵出口膨脹節損壞、泵土建基礎損壞等。

1 典型案例

某項目循環水泵參數見表1。

表1 循環水泵參數

泵型為水平中開結構，葉輪單級雙吸，泵接管口方位為側進側出。循環水泵布置示意見圖1。

圖1 循環水泵布置

該泵在單機試車過程中出現問題，表現為起泵運行不到0.5 min，泵與電機軸承振動、軸瓦溫度超標，軸承箱冒煙。試車多次，均出現類似問題，造成泵與電機軸承損壞(見圖2)、聯軸器膜片損壞(見圖3)、泵出口膨脹節損壞(見圖4)、泵土建基礎損壞(見圖5)。

圖2 聯軸器損壞

圖3 泵基礎開裂

圖4 出口膨脹節損壞

圖5 電機軸承損壞

2 故障分析

由于循環水泵電機單試過程中運行正常，泵頭出廠也經過了機械運轉試驗，并且泵的對中以及軸瓦間隙在泵試車前均檢查確認過，泵和電機本體導致問題的可能性不大。

通過現場架設百分表監控泵體位移(最大讀數達6.9mm)，結合泵基礎開裂方向以及聯軸器的損壞情況分析，泵和電機損壞的原因應是循環水泵泵體受到了朝向泵入口端的巨大推力，導致泵體與基礎產生相對滑移，從而使泵軸中心產生較大偏移，膜片聯軸器的彈性膜片不足以補償此偏移量。

2.1 受力分析

為了明確此推力情況，以泵體作為分析對象，基于泵啟動階段出口閥關閉狀態，進行受力分析，泵體受力示意見圖6。

圖6 泵體受力示意

豎直方向有泵體受泵體重力G泵，地腳螺栓的預緊力F地腳螺栓，以及基礎對泵體的支撐力N基礎。

G泵+F地腳螺栓=N基礎

水平方向有泵體受進出口管道作用力，以及泵底腳面與基礎之間摩擦力(當泵體與基礎有相對滑動或者滑動趨勢時)。

F出口管道=F入口管道+F基礎摩擦力

上式以朝向出口方向為正。

2.2 膨脹節對泵體受力的影響2.2.1 設置膨脹節的必要性

對于大型水泵，由于進出口管道管徑大(本案例進口管徑1.6m，出口管徑1.4m)，考慮到管道安裝施工、基礎沉降、管道溫度變化引起的熱脹冷縮效應、隔離管系與設備間的振動影響以及水錘效應等，泵進出口須設置膨脹節。

2.2.2 膨脹節拉桿全松工況

此狀態下拉桿外側鎖緊螺母未擰緊，膨脹節處于自由拉伸狀態。由于膨脹節的剛度與金屬鋼管相比差別很大，當管道運行帶壓時，膨脹節兩端的管道將承受由于膨脹節形變引起的盲板力，其大小為：F盲板力=P·A，其中，P為管道中流體壓強，A為管道流通截面積；方向為分別指向與膨脹節連接的兩側管道，靠近泵出口管段部分所受盲板力直接傳遞給泵體，即F盲板力=F出口管道，按泵關閉工況壓力計算：F盲板力≈1 008 kN；可見，該盲板力數值是相當大的。

結合泵水平方向的受力分析，可得：

F盲板力-F入口管道=F基礎摩擦力

由于泵安裝時管口進行了無應力對中連接，入口管道作用力可以忽略。對循環水泵泵體而言，其穩定性表現為泵體與基礎之間的摩擦力與盲板力的平衡狀況。

而泵體與基礎間的摩擦力：

F基礎摩擦力=μ·N基礎=μ·(G泵+F地腳螺栓)

本案例中，地腳螺栓的規格為M48，數量為4個，單根地腳螺栓預緊力最大約為 312.7kN(按螺栓的強度等級4.8級考慮)[6]，取泵體與混凝土基礎之間的摩擦系數為0.2，計算得出：

F基礎摩擦力=0.2×(12 500×9.81+321 700×4)=281.885kN

比較可知：F基礎摩擦力=281.885kN

摩擦力明顯小于推力，泵將相對于基礎產生滑移。

2.2.3 膨脹節拉桿外側鎖緊工況

此狀態下膨脹節拉桿外側鎖緊螺母擰緊，膨脹節處于伸長固定狀態。假設膨脹節段有足夠的剛度，即相當于一段鋼管，此時膨脹節段與相連的設備管道連成一體，可看作一個剛體，相應的盲板力則由這段鋼管材料整體來承受。在流體內壓推力的作用下，該段管道將被拉伸。

3 問題處理

3.1 解決問題思路

為了保證泵體不發生偏移以及泵軸與電機軸的良好對中，泵頭部分應作為此設備管道系統的固定點。基于此解決問題思路，可從兩方面考慮：①當膨脹節剛性不足時，要求泵的基礎強度和輔助推力支撐結構能夠承受由膨脹節段盲板力以及泵與基礎間摩擦力差值所造成的指向泵入口端的推力；②當膨脹節剛性足夠時，泵頭部分能抵抗由管道內壓推力所造成的泵出口段管線的拉伸伸長。因此，可把泵出口管道管件的支撐方式設置為滑動支撐，以保證出口管道能向出口方向伸長。

由于盲板力造成的推力數值巨大，在泵關閉工況下達到1 008kN。通過增加基礎強度和輔助支撐來平衡推力，設計難度大且成本較高，同時，巨大的推力可能造成泵的結構損壞。因此，確保膨脹節拉桿以及連接耳板的強度和剛度能承受此盲板力是首要措施。

3.2 處理方案

基于以上分析，提出以下3點處理方案：①加強膨脹節拉桿以及連接耳板的強度和剛度；②為了防止分析計算過程中的取值誤差以及其余由安裝施工過程中未預見的偏差引起的問題，在泵出口變徑管下面增加基礎(使其與原泵基礎連成一體)以及對變徑管處設置輔助止推支撐。支撐示意見圖7；③把泵出口管道管件的支撐方式修改為滑動支撐。通過采取以上3個措施處理后，該循環水泵單機試車成功，至今運行良好。

圖7 出口變徑管支撐示意

4 工程設計規范化建議和要求

基于相關類似問題的處理和分析，為了在工程設計階段就規避掉相關隱患，提出如下規范化解決方案，以期引起設計人員的重視，避免在以后的工程設計中出現類似問題。

4.1 進出口膨脹節補償器的選用

大型循環水泵的進出口膨脹節應選用大拉桿橫向型補償器，其受力拉杠以及連接耳板的強度/剛度要求能承受管道盲板力，并在開車前外側鎖死。由于泵進口側膨脹節與進水池相連，為了防止管道的熱脹冷縮以及設備對進口管系的影響，破壞進水管與水池的聯結，從而造成漏水，在泵開車運行時，進口膨脹節拉桿應該處于松脫狀態，以便維持其軸向和橫向柔性。

4.2 泵基礎的土建設計

對大型循環水泵，當泵與基礎的摩擦力小于泵關閉壓力下的軸向推力時，泵基礎的土建設計應在泵出口變徑管處設置支撐，并將泵、電機、變徑管這三部分做成一個整體基礎。

(1)由于出口膨脹節拉桿設計是拉緊的，因此，在正常情況下，泵、電機、變徑管的共用混凝土基礎不受管道軸向盲板推力，土建設計不需額外考慮此軸向推力載荷。

(2)泵出口變徑管下部加支撐的目的是為了增加泵底座側的剛性，保證泵出口管道受力拉伸時，泵基礎是固定端，泵軸不發生位移。

(3)泵出口變徑管下部的支撐點應盡量靠近管道中心線，避免泵受到額外的彎矩作用，典型的支撐示意見圖7，在基礎中預埋配筋鋼板，止推支撐肋板的鋼板厚度推薦不小于20mm，數量不少于4片。

4.3 進出口管道系統的支撐設計

大型循環水泵應作為泵進出口管系設計的固定點，將進出口管道系統的支撐設計成滑動支撐型式，保證出口管道可向泵外端自由伸長和位移。