离心泵管口载荷优化方法研究

1、 离心泵管口载荷优化方法研究 摘要：离心泵广泛用于原油、生产水、油田注水、消防水、压载水等流体的输送。离心泵泵属于回转机械，过大的外力会造成变形、振动和噪声，甚至损坏设备。与泵连接的管线应有足够的柔性，避免热应力过大导致泵管口被撕裂或接口法兰泄漏。通过对泵系统管线进行应力分析，对管口载荷进行校核，优化管道布置方案，设计合理的支吊架或弹簧支架，控制其所受的力和力矩在规范或厂家提供的许用值范围之内，以保证管道及设备的安全运行。关键词：离心泵；管道柔性；泵口载荷引言管道应力分析与计算是管道设计的基础，它研究管道在各种载荷作用下产生的力，力矩和应力，从而作出对管道安全性的评价。管道布置不合理，将会使整

2、个装置运行存在安全隐患，例如，由于管道热应力而导致的管架被推坏，设备管口被撕裂或被顶坏，弯头、三通等焊缝处裂缝以及法兰泄漏的现象时有发生，严重者还会引起爆炸或燃烧。如果管系固有频率与震源的激振相同，则整个装置系统将发生共振，对建筑物和设备造成损坏。1泵类管道布置的推荐做法结合工程实践经验，泵类管道布置较好的推荐做法如下：（1）为使泵体减少受管端力的作用，应在靠近泵的管段上设置适当的支吊架或设置必要的弹簧支吊架。（2）若泵为侧面进口，顶部出口，则应在入口侧设支架或可调支架，出口上方应设吊架或弹簧吊架；若泵靠近其吸入料液罐布置，且又不是同一基础时，要考虑罐基础下沉引起的管道垂直位移对泵接管口的影响

3、。（3）对于大型的泵出口，要注意止回阀关闭时的推力作用，在止回阀及切断阀附近应设置坚固的支架，以承受水击及重力载荷。2应力分析要点泵出入口管线，应满足工艺要求。泵嘴受力，应满足标准（api610等）或制造商提供的受力要求。并应做到布置简捷，安全经济。泵出入口管线的支架，应满足各种工况下管线的柔性及受力要求。计算时，应包括所有可能的操作工况，特别对于存在备用泵的多台泵情况下，计算工况为多个实际操作工况的组合。譬如，一开一备、两开一备等状况，并把设计状态作为校核参考。若管道自然补偿无法进一步改善管系柔性，在满足工艺条件的前提下，可使用金属波纹管膨胀节。3离心泵管线应力分析实例3.1离心泵侧进顶出3

4、.1.1系统描述本系统由三台反冲洗泵、三台反冲洗滤器及一台注水缓冲罐组成，操作温度为60，设计温度为90，设计压力为900kpa，泵进出口管嘴为6”，磅级为cl150，管嘴的许用值取api610的2倍。正常操作时两用一备。注水缓冲罐布置在反冲洗泵的上层甲板，因此泵入口汇管布置在泵入口的上方。根据实际可能发生的工况组合，分三种工况进行分析：(a)a、b泵工作，c备用；(b)a、c泵工作，b备用；(c)b、c泵工作，a备用。工作泵的操作温度是60（黄色），压力为设计压力900kpa。备用泵的操作温度为正常操作温度的一半即30，设计压力为101kpa，备用泵的操作温度和设计压力的输入分界点为滤器入口

5、截止阀至泵出口截止阀，如图2中紫色显示区域。3.1.2布置方案方案一是根据配管专业提供的原始布置方案，滤器的进出口和泵的入口直接相连，且滤器出口和泵间直管段只有400，滤器入口截止阀布置在水平管线上，各分支立管的弯头处分别设置刚性支撑弯头支架，摩擦系数为0.3。出口管线的止回阀和截止阀，布置在水平管段上，避免了阀门重量作用在泵嘴上。对(a)工况分析后，出口三个管嘴的载荷满足规范的要求，而b、c泵的入口管嘴的载荷超过了许用值，其中b泵入口轴向、径向的力都超标，而且比例较大，现在以b泵为例，进行优化调整，找出影响泵管口载荷的因素。方案二：修改入口侧弯头支架的摩擦系数。支架与钢结构的接触面及对应的摩

6、擦系数通常有三种。3.2离心泵侧进侧出3.2.1系统描述本案例分析的是三台注水泵系统操作温度为60，设计温度为90，设计压力19800kpa，泵进出口管嘴为8”和6”，压力等级cl1500，壁厚sch160。磅级大于600的离心泵，在设备澄清阶段，向厂家提出管嘴许用值要不低于api610规定的3倍要求，同时厂家应提供有限元分析报告。3.2.2布置方案方案一为配管原始的布置方案，当泵a、b泵工作，c泵备用时，其中，a泵进口载荷超出许用值接近4倍，a泵入口管线有较大变形，这是因为止推支架设置在靠近c端一侧，管线只能向a侧热涨。由于入口弯头支架已脱空，入口管线及阀门重量作用在管嘴上，同时对管嘴形成较

7、大的力矩，如不调整，会造成管口破坏。方案二：设置弹簧支架。对于系统压力等级高的系统，壁厚较厚，刚性大柔性小，管道重量、阀门法兰重量都相对较高，造成管口径向力超标，同时产生较大的摩擦阻力，导致作用在管口侧向推力大，管道热胀冷缩产生的热应力也比低磅级管线要大，对管线柔性设计要求较高，只通过改增加弯头，改变管线走向很难满足要求，考虑设置弹簧支架，在管线有竖直方向位移时，弹簧支架仍能承受管道载荷，使整个管道系统重量平衡。弹簧的设计标准为nb/t47039-2013可变弹簧支吊架。4应力模型的建立应力分析工程师根据管线的应力分析计算结果，对管线的一次应力、二次应力、设备管口受力等进行评估，并对管线存在的

8、问题提出合理的修改方案。由于计算过程由应力分析软件完成，应力模型的真实性必须保证目前，炼化行业内比较常用的管道应力分析软件为caesarii。工作泵的初始位移取工作状态下的实际位移值，备用泵的初始移值取备用状态下的实际位移值，泵嘴偏离中心时，偏心距产生的位移计入泵嘴初始位移。为简化位移计算，减小计算误差，力求计算结果正确无误，可把泵作为刚性设备建入caesarii。其固定点应为泵中心，偏心部分也需搭建模型。弯管支吊架在弯管弧线上的位置应该准确输入，如果输入不准确，将会发生弯头支架不能承受荷载的情况，此时力和力矩将会转移至泵嘴。具体输入方法为：输入弯头之后，下一个单元（单元1）走向应发生改变，这

9、个单元长度取弯头的曲率半径，并在下面一个单元（单元2）输入与单元1方向相反的等距离管道，把其设为无重量的刚性件，并在单元2设置支架。泵嘴附近的弹簧支吊架应按照最大行程选取，且应满足所有泵同时工作的要求。泵的开备工况需要体现。运行泵温度按正常操作取值，备用泵温度为环境温度。如a开b备，与a泵相连管线的温度为操作温度；b泵出入口切断阀至泵本体的管线温度为环境温度；主线至b泵切断阀之间的管线温度难以确定，可取操作温度与环境温度之和的平均值。摩擦力，不应忽略。结语结合工程实例，通过对侧进顶出、侧进侧出两种离心泵系统布置方案的研究，总结出减小离心泵管口外载荷的方法：(1)在泵管道前期设计时尽量增加管道的柔性，设备与泵口尽量避免直接连接，走l形或u型路径，并留有足够的空间，便于根据受力情况对管线进行调整；(2)在靠近泵的管段上预留