林 杭
中国石化达州天然气净化有限公司天然气净化厂 四川 达州 636150
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）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
①泵出入口管线，应满足工艺要求。②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。③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。④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
3.1.1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③只有400，滤器入口截止阀布置在水平管线上，各分支立管①的弯头处分别设置刚性支撑弯头支架②，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CAE－SARII。
①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。
②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。
③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。
④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。
⑤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支架位置，以使管段受力平衡，避免管口承受过大的力和弯矩。
参考文献
[1]宋苛苛.工业管道应力分析与工程应用[M].北京：中国石化出版社，2011.
[2]李正国.离心泵管线的应力分析[J].企业技术开发，2014，33(6)：46-48.
[3]蔡尔辅.石油化工管道设计[M].北京：化学工业出版社，2002.