大型循環(huán)水泵工程設(shè)計實踐

張 煒，黃漢華，孫景偉

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223)

當(dāng)前，石油化工裝置正不斷地朝著大型化和園區(qū)化方向發(fā)展。循環(huán)冷卻水裝置作為其中重要的基礎(chǔ)公用工程設(shè)施，其生產(chǎn)能力也在不斷擴大。大型循環(huán)水泵作為循環(huán)水裝置的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動設(shè)備，其運行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到整個生產(chǎn)裝置和園區(qū)的安全穩(wěn)定運行。

通過總結(jié)工程項目實踐以及相關(guān)文獻中提到的案例[1-5]，發(fā)現(xiàn)大型循環(huán)水泵在試車過程中經(jīng)常出現(xiàn)如下問題：泵軸以及泵軸承損壞、電機軸承損壞、聯(lián)軸器膜片損壞、泵出口膨脹節(jié)損壞、泵土建基礎(chǔ)損壞等。

1 典型案例

某項目循環(huán)水泵參數(shù)見表1。

表1 循環(huán)水泵參數(shù)

泵型為水平中開結(jié)構(gòu)，葉輪單級雙吸，泵接管口方位為側(cè)進側(cè)出。循環(huán)水泵布置示意見圖1。

圖1 循環(huán)水泵布置

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

圖2 聯(lián)軸器損壞

圖3 泵基礎(chǔ)開裂

圖4 出口膨脹節(jié)損壞

圖5 電機軸承損壞

2 故障分析

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

通過現(xiàn)場架設(shè)百分表監(jiān)控泵體位移(最大讀數(shù)達6.9mm)，結(jié)合泵基礎(chǔ)開裂方向以及聯(lián)軸器的損壞情況分析，泵和電機損壞的原因應(yīng)是循環(huán)水泵泵體受到了朝向泵入口端的巨大推力，導(dǎo)致泵體與基礎(chǔ)產(chǎn)生相對滑移，從而使泵軸中心產(chǎn)生較大偏移，膜片聯(lián)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(guān)閉狀態(tài)，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(yù)緊力F地腳螺栓，以及基礎(chǔ)對泵體的支撐力N基礎(chǔ)。

G泵+F地腳螺栓=N基礎(chǔ)

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(chǔ)之間摩擦力(當(dāng)泵體與基礎(chǔ)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(chǔ)摩擦力

上式以朝向出口方向為正。

2.2 膨脹節(jié)對泵體受力的影響2.2.1 設(shè)置膨脹節(jié)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(chǔ)沉降、管道溫度變化引起的熱脹冷縮效應(yīng)、隔離管系與設(shè)備間的振動影響以及水錘效應(yīng)等，泵進出口須設(shè)置膨脹節(jié)。

2.2.2 膨脹節(jié)拉桿全松工況

此狀態(tài)下拉桿外側(cè)鎖緊螺母未擰緊，膨脹節(jié)處于自由拉伸狀態(tài)。由于膨脹節(jié)的剛度與金屬鋼管相比差別很大，當(dāng)管道運行帶壓時，膨脹節(jié)兩端的管道將承受由于膨脹節(jié)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(jié)連接的兩側(cè)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(guān)閉工況壓力計算：F盲板力≈1 008 kN；可見，該盲板力數(shù)值是相當(dāng)大的。

結(jié)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(chǔ)摩擦力

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

而泵體與基礎(chǔ)間的摩擦力：

F基礎(chǔ)摩擦力=μ·N基礎(chǔ)=μ·(G泵+F地腳螺栓)

本案例中，地腳螺栓的規(guī)格為M48，數(shù)量為4個，單根地腳螺栓預(yù)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(chǔ)之間的摩擦系數(shù)為0.2，計算得出：

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

比較可知：F基礎(chǔ)摩擦力=281.885kN

摩擦力明顯小于推力，泵將相對于基礎(chǔ)產(chǎn)生滑移。

2.2.3 膨脹節(jié)拉桿外側(cè)鎖緊工況

此狀態(tài)下膨脹節(jié)拉桿外側(cè)鎖緊螺母擰緊，膨脹節(jié)處于伸長固定狀態(tài)。假設(shè)膨脹節(jié)段有足夠的剛度，即相當(dāng)于一段鋼管，此時膨脹節(jié)段與相連的設(shè)備管道連成一體，可看作一個剛體，相應(yīng)的盲板力則由這段鋼管材料整體來承受。在流體內(nèi)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(fā)生偏移以及泵軸與電機軸的良好對中，泵頭部分應(yīng)作為此設(shè)備管道系統(tǒng)的固定點。基于此解決問題思路，可從兩方面考慮：①當(dāng)膨脹節(jié)剛性不足時，要求泵的基礎(chǔ)強度和輔助推力支撐結(jié)構(gòu)能夠承受由膨脹節(jié)段盲板力以及泵與基礎(chǔ)間摩擦力差值所造成的指向泵入口端的推力；②當(dāng)膨脹節(jié)剛性足夠時，泵頭部分能抵抗由管道內(nèi)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(shè)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(shù)值巨大，在泵關(guān)閉工況下達到1 008kN。通過增加基礎(chǔ)強度和輔助支撐來平衡推力，設(shè)計難度大且成本較高，同時，巨大的推力可能造成泵的結(jié)構(gòu)損壞。因此，確保膨脹節(jié)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(jié)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(yù)見的偏差引起的問題，在泵出口變徑管下面增加基礎(chǔ)(使其與原泵基礎(chǔ)連成一體)以及對變徑管處設(shè)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(huán)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(shè)計規(guī)范化建議和要求

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

4.1 進出口膨脹節(jié)補償器的選用

大型循環(huán)水泵的進出口膨脹節(jié)應(yīng)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(cè)鎖死。由于泵進口側(cè)膨脹節(jié)與進水池相連，為了防止管道的熱脹冷縮以及設(shè)備對進口管系的影響，破壞進水管與水池的聯(lián)結(jié)，從而造成漏水，在泵開車運行時，進口膨脹節(jié)拉桿應(yīng)該處于松脫狀態(tài)，以便維持其軸向和橫向柔性。

4.2 泵基礎(chǔ)的土建設(shè)計

對大型循環(huán)水泵，當(dāng)泵與基礎(chǔ)的摩擦力小于泵關(guān)閉壓力下的軸向推力時，泵基礎(chǔ)的土建設(shè)計應(yīng)在泵出口變徑管處設(shè)置支撐，并將泵、電機、變徑管這三部分做成一個整體基礎(chǔ)。

(1)由于出口膨脹節(jié)拉桿設(shè)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(chǔ)不受管道軸向盲板推力，土建設(shè)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(cè)的剛性，保證泵出口管道受力拉伸時，泵基礎(chǔ)是固定端，泵軸不發(fā)生位移。

(3)泵出口變徑管下部的支撐點應(yīng)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(chǔ)中預(yù)埋配筋鋼板，止推支撐肋板的鋼板厚度推薦不小于20mm，數(shù)量不少于4片。

4.3 進出口管道系統(tǒng)的支撐設(shè)計

大型循環(huán)水泵應(yīng)作為泵進出口管系設(shè)計的固定點，將進出口管道系統(tǒng)的支撐設(shè)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。