結(jié)合管口應(yīng)力校核淺析旋轉(zhuǎn)設(shè)備的管道設(shè)計(jì)

王永磊 中海油石化工程有限公司 青島 266100

在應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中，最大的難點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備（如泵、壓縮機(jī)和渦輪機(jī)）的管道應(yīng)力分析。如果旋轉(zhuǎn)設(shè)備管口受力載荷過(guò)大，容易引起設(shè)備本體變形或者軸不對(duì)中，從而引起設(shè)備損壞或振動(dòng)。設(shè)備管口允許的力和力矩極低，而降低力和力矩值的難度卻較大[1]。

本文以離心泵為例，結(jié)合泵管口應(yīng)力校核，對(duì)降低離心泵管口受力載荷提出管道設(shè)計(jì)中的一些建議和方法，希望對(duì)管道工程師掌握旋轉(zhuǎn)設(shè)備管道設(shè)計(jì)有所幫助。

API610 是離心泵類常用標(biāo)準(zhǔn)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外石油、化工以及天然氣行業(yè)中。離心泵的管口荷載一般按照API610 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其明確規(guī)定了泵殼按2 倍API610 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，管道設(shè)計(jì)者按1 倍API610 管口允許荷載進(jìn)行管道設(shè)計(jì)（具體數(shù)值見(jiàn)表1），這樣能夠保證整套泵組安全、長(zhǎng)周期、可靠地運(yùn)行。管機(jī)人員應(yīng)力計(jì)算的目的就是要對(duì)管系進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)設(shè)備管口進(jìn)行應(yīng)力校核，以保障管口荷載運(yùn)行在允許荷載以下。

表1 API610 管口允許受力荷載值

從表1 中可以看出，API610 對(duì)離心泵管口受力載荷要求比較苛刻。在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)力工程師結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，經(jīng)常要求泵管口允許的受力載荷按照API610 的2 倍甚至多倍，以利于后期管口受力校核順利通過(guò)，但上述要求是以提高設(shè)備采購(gòu)成本為代價(jià)的。本文通過(guò)多年的工作實(shí)踐，歸納總結(jié)出以下幾種方法和思路，以降低泵管口受力載荷。

1 降低管口荷載的幾點(diǎn)建議

1.1 合理選擇彈簧支吊架的位置

與難以控制的熱膨脹載荷不同，自重載荷更容易控制。為了支撐重量，主要有兩種類型的支架：剛性支架和彈簧支架。在垂直熱位移忽略不計(jì)的地方盡量使用剛性支架，這是因?yàn)閯傂灾胃?jīng)濟(jì)、更穩(wěn)定，且可以很容易地吸收任何負(fù)荷波動(dòng)。然而有許多地方由于垂直管道熱位移的原因，造成剛性支撐失效。懸臂泵的彈簧支架設(shè)置見(jiàn)圖1。

圖1 懸臂泵的彈簧支架設(shè)置

圖1（a）示意了懸臂式離心泵的出口管道。對(duì)于溫度較高的管路系統(tǒng)，泵出口管道上的第一個(gè)支撐經(jīng)常需要設(shè)置可變彈簧吊架。從圖1（a）中彈簧支吊架設(shè)置的位置可以看出，任何垂直的力都會(huì)在這種懸臂條件下產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，導(dǎo)致泵較大的變形。

如圖1（b）所示，在泵出口第一個(gè)彎頭處設(shè)置彈簧支吊架時(shí)，可以使該處的重量載荷減小到零或者很容易接近于零。泵管口受力和力矩都可以降低到較低的水平。

故泵出口彈簧支架設(shè)置的位置較為關(guān)鍵，選擇不好可能會(huì)加重泵管口所受的力和力矩。

1.2 降低泵管口管件的剛度

某油氣處理廠改造工程項(xiàng)目中，泵入口直管段調(diào)整管徑前后配管情況圖2。

圖2 直管段調(diào)整管徑前后配管情況

從圖2（a）看出，泵入口的其中一個(gè)力矩My偏大，在配管無(wú)法調(diào)整的情況下，經(jīng)過(guò)分析，是由于泵入口大小頭之前的直管段（DN250）柔性不夠，無(wú)法吸收Z(yǔ) 方向的熱位移，管口水平方向的力矩過(guò)大。經(jīng)過(guò)調(diào)整，將入口大小頭前加長(zhǎng)800mm(DN150)的直管段，如圖2（b）所示，My明顯好轉(zhuǎn)。調(diào)整前后的管口受力載荷值如表2、表3 所示：通過(guò)調(diào)整，管口所受力、力矩均滿足1 倍API610 要求。

表2 調(diào)整前管口受力荷載值

表3 調(diào)整后管口受力荷載值

故靠近管口的鋼管及管件管徑越大、壁厚越大，其柔性越差，在同等條件下，管口實(shí)際荷載越大。在類似應(yīng)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮該方面的優(yōu)化[2]。

1.3 增加自然補(bǔ)償

兩臺(tái)泵并排布置時(shí)，泵間管道產(chǎn)生的熱膨脹力（力矩）往往是使泵受力超標(biāo)的主要原因。故在雙泵安裝中，最基本的要求是提供足夠的柔性。如果兩臺(tái)泵之間的柔性不夠，不論管道的其他部分有多靈活，配管應(yīng)力都無(wú)法通過(guò)，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工程師經(jīng)常忽略這個(gè)基本要求。如圖3（a）所示，兩臺(tái)泵之間的柔性是由立管提供的，立管的長(zhǎng)短直接影響管口荷載值的大小，該配管方式適用于小型或低溫系統(tǒng)。而對(duì)于大型或高溫管道系統(tǒng)，圖3（a）配管方式的靈活性不足以吸收水平方向的位移，導(dǎo)致泵管口受力過(guò)大。一般采用如圖3（b）所示的配管方式，其U 形彎的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，柔性越好。在實(shí)踐過(guò)程中，一般將U 形彎部分放置在平臺(tái)上，方便入口閥門操作及過(guò)濾器的檢修。

圖3 頂部管口常用的配管方式

1.4 增設(shè)膨脹節(jié)

設(shè)置膨脹節(jié)可顯著改善管口的受力和力矩。但考慮到膨脹節(jié)使用條件苛刻，維護(hù)困難，泵管線需謹(jǐn)慎使用膨脹節(jié)。當(dāng)采用其它方法無(wú)法使設(shè)備管口載荷滿足要求時(shí)，對(duì)無(wú)毒非可燃、不存在固體顆粒積聚的介質(zhì)，可以考慮使用膨脹節(jié)。圖4 所示為某加氫裝置離心泵入口管線增設(shè)膨脹節(jié)，來(lái)降低入口管口的力與力矩。

圖4 某高溫泵入口增設(shè)膨脹節(jié)

若使用膨脹節(jié)，一般應(yīng)滿足下列條件：

（1）設(shè)備間距小，直接相連管系柔性不足，又無(wú)法采用其他布置形式。

（2）為追求最小壓降。

（3）自然補(bǔ)償無(wú)法進(jìn)一步減小泵口受力。

（4）采用膨脹節(jié)比自然補(bǔ)償更為經(jīng)濟(jì)。

1.5 降低管口附近摩擦力的影響

為減小泵體受外力作用，可對(duì)靠近泵管段上的支架采取措施，以降低其摩擦力，使管口的熱脹能傳遞出去，進(jìn)而降低其受力。

在摩擦力影響較大時(shí)，可在支架下加裝聚四氟乙烯墊片或采用吊架以減小對(duì)泵管口的軸向推力[3]。

圖5 所示為某加氫裝置中的分餾塔至柴油進(jìn)料泵管道，泵管口的Fz比較大，因立管段加上閥門（CL300 DN300）的重量很大，造成支架PS-1、PS-2 摩擦力較大，管嘴處的熱脹無(wú)法釋放，導(dǎo)致Fz偏大。通過(guò)將泵管口附近的支架PS-1、PS-2 增設(shè)聚四氟乙烯墊片，降低支架的摩擦系數(shù)，F(xiàn)z明顯減小。

圖5

圖6 所示為某污水處理廠泵出口高壓管線，壓力為CL1500，出口管徑為DN350，閘閥的重量為約4.5t（包括配對(duì)法蘭、墊片及螺栓），若摩擦系數(shù)采用0.3（鋼對(duì)鋼），通過(guò)CAESAR Ⅱ計(jì)算，泵的Fx及Mz的值特別大，無(wú)法滿足受力要求，受力荷載值見(jiàn)表4。若將摩擦系數(shù)降為0.1，調(diào)整后的管口所受力、力矩見(jiàn)表5，均滿足1 倍API610 要求。降低摩擦系數(shù)的施工方法如圖7 所示。

圖6 某污水處理廠泵出口高壓管線

圖7 摩擦面制作示意圖

表4 調(diào)整前管口受力荷載值

表5 調(diào)整后管口受力荷載值

圖8 為某加氫裝置原料泵入口管線吊架設(shè)置情況，管線壓力大、管壁厚，造成單位長(zhǎng)度管道的重量很大，故增設(shè)吊架來(lái)減小摩擦力的影響。

圖8 某加氫裝置原料泵入口管線吊架設(shè)置

2 需要注意的問(wèn)題

理論上可行，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用比較困難。以下是在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別注意的幾個(gè)問(wèn)題：

2.1 靈活性過(guò)大

管道需要足夠的柔性，以滿足管系二次應(yīng)力的要求。但如果柔性過(guò)大，依然可能造成設(shè)備管口應(yīng)力超標(biāo)甚至管系的振動(dòng)。圖9 為泵進(jìn)口管道，雖然該管系使用了充分的回路，但由于缺乏約束，柔性過(guò)大，泵管口受力載荷依然很大。同時(shí)，過(guò)大的柔韌性使它容易受到很小的擾動(dòng)力而發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。此外，管道回路可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的壓降，從而將系統(tǒng)壓力降低到飽和壓力以下，造成管道內(nèi)部局部汽化，發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，降低泵的效率和泵的使用壽命[4]。

圖9 過(guò)度的柔性導(dǎo)致的操作問(wèn)題

由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備管口允許的載荷較低，管道工程師使用了許多巧妙的方案，試圖使管道滿足要求。其中一些方法在工作中運(yùn)行得很好，還有一些只是

2.2 可行性不足

通常，管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)采取一些約束來(lái)控制管道的運(yùn)動(dòng)，如：止推支架、導(dǎo)向支架等，避免敏感設(shè)備管口受力過(guò)大。部分限制措施在理論上可行，工程上運(yùn)行效果卻不佳，見(jiàn)圖10。

圖10 理論約束帶來(lái)的問(wèn)題

（1）圖10（a）、（b）顯示了放置在z 方向線上的典型止推支架，以保護(hù)設(shè)備免受被z 方向力。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于該止推支架離設(shè)備太近，盡管抑制了Z 方向的力，但同時(shí)由于摩擦力的作用，限制了管道在正x 方向的膨脹。這種熱膨脹會(huì)產(chǎn)生較大的x 方向反作用力，從而對(duì)設(shè)備管口產(chǎn)生較大的力矩。

（2）如圖10（c）、（d）所示，通常在設(shè)計(jì)止推支架時(shí)會(huì)預(yù)留間隙，以確保管道平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。但在實(shí)際工程施工階段，由于施工誤差或其它原因，非常容易造成間隙出現(xiàn)偏差，從而造成后期運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)模擬工況出現(xiàn)較大偏差，影響管系的穩(wěn)定或者造成設(shè)備管口產(chǎn)生較大的力矩。

3 結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)設(shè)備管系是目前管道設(shè)計(jì)中最困難的系統(tǒng)之一，由于設(shè)備管口處允許的受力載荷較低，管道工程師和管機(jī)工程師長(zhǎng)期以來(lái)一直在不停地解決此類問(wèn)題。它不僅需要深厚的理論基礎(chǔ)，更需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

在設(shè)計(jì)階段初期，管道工程師應(yīng)針對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備管系設(shè)計(jì)及時(shí)與管機(jī)工程師溝通協(xié)調(diào)，提前采取有效措施，降低設(shè)備管口載荷，以避免后期返工。

本文闡述的幾種方法，希望對(duì)管道工程師進(jìn)行旋轉(zhuǎn)設(shè)備管道設(shè)計(jì)有所幫助。