離心泵管口載荷優(yōu)化方法研究

王春霞，程久歡，孫繼超

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院， 天津 300451）

在海洋油氣田平臺(tái)項(xiàng)目中，離心泵廣泛用于原油、生產(chǎn)水、油田注水、消防水、壓載水等流體的輸送。離心泵泵屬于回轉(zhuǎn)機(jī)械，過大的外力會(huì)造成變形、振動(dòng)和噪聲，甚至損壞設(shè)備。與泵連接的管線應(yīng)有足夠的柔性，避免熱應(yīng)力過大導(dǎo)致泵管口被撕裂或接口法蘭泄漏。通過對(duì)泵系統(tǒng)管線進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)管口載荷進(jìn)行校核，優(yōu)化管道布置方案，設(shè)計(jì)合理的支吊架或彈簧支架，控制其所受的力和力矩在規(guī)范或廠家提供的許用值范圍之內(nèi)，以保證管道及設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 泵類管道布置的推薦做法[1]

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，泵類管道布置較好的推薦做法如下：

（1）為使泵體減少受管端力的作用，應(yīng)在靠近泵的管段上設(shè)置適當(dāng)?shù)闹У跫芑蛟O(shè)置必要的彈簧支吊架。

（2）若泵為側(cè)面進(jìn)口，頂部出口，則應(yīng)在入口側(cè)設(shè)支架或可調(diào)支架，出口上方應(yīng)設(shè)吊架或彈簧吊架；若泵靠近其吸入料液罐布置，且又不是同一基礎(chǔ)時(shí)，要考慮罐基礎(chǔ)下沉引起的管道垂直位移對(duì)泵接管口的影響[2]。

（3）對(duì)于大型的泵出口，要注意止回閥關(guān)閉時(shí)的推力作用，在止回閥及切斷閥附近應(yīng)設(shè)置堅(jiān)固的支架，以承受水擊及重力載荷。

圖1中（a）～（f）是常見的離心泵進(jìn)出口管線的布置方式[3]，其中(a)～(e)管線的進(jìn)出口采用對(duì)稱布置適用于熱力管線的布置，優(yōu)點(diǎn)是增加管道柔性，并在互為備用工況時(shí)，兩臺(tái)泵的熱應(yīng)力相差小，泵間管道對(duì)設(shè)備管口的影響小，但增加了管子和彎頭，增加了壓力損失和成本。

(f)適用于常溫管道的布置，優(yōu)點(diǎn)是管道最短，壓力損失小，但是在備用工況運(yùn)行時(shí)，由于兩臺(tái)泵的運(yùn)行狀態(tài)不同，備用側(cè)溫度較低，造成熱應(yīng)力不一致，對(duì)管道及管口載荷影響較大。

圖1 離心泵推薦布置方法

2 離心泵管線應(yīng)力分析要點(diǎn)

（1）離心泵進(jìn)出口管線要有足夠的柔性，管線由于閥門、壓力、熱應(yīng)力作用在泵的管嘴的外載荷（力和力矩）不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（API 610）或制造廠家的許用值。

（2）在滿足工藝要求的前提下，管道布置應(yīng)簡(jiǎn)捷，減少不必要的彎頭，減少壓力損失，避免發(fā)生氣蝕。

（3）應(yīng)進(jìn)行模態(tài)分析，在保證柔性的同時(shí)，也應(yīng)具有足夠的剛度，防止泵進(jìn)出口管線發(fā)生共振，一般要求管線的本征頻率避開泵一階頻率的正負(fù)30%。

（4）在存在備用泵的情況下，由于備用泵一側(cè)的管道溫度較低，應(yīng)考慮相對(duì)伸長(zhǎng)量最大的不利因素，分析工況應(yīng)包括一用一備，或多用一備等實(shí)際操作工況組合。

（5）對(duì)泵類轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的管嘴載荷校驗(yàn)，只要求進(jìn)行操作溫度下的校核，不需要進(jìn)行設(shè)計(jì)溫度和極端溫度的校核，與泵連接的濾器、容器等設(shè)備管嘴需校核最極端工況下的受力。

（6）對(duì)進(jìn)出口法蘭進(jìn)行泄漏校核，防止法蘭面處因彎矩過大而造成失效泄漏。

3 離心泵管線應(yīng)力分析實(shí)例

利用CAESAR II應(yīng)力分析軟件，基于某渤海項(xiàng)目?jī)煞N離心泵（側(cè)進(jìn)側(cè)出、側(cè)進(jìn)頂出）管線分析案例，對(duì)影響管口受力的關(guān)鍵因素進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 離心泵—側(cè)進(jìn)頂出

3.1.1 系統(tǒng)描述

本系統(tǒng)由三臺(tái)反沖洗泵、三臺(tái)反沖洗濾器及一臺(tái)注水緩沖罐組成，操作溫度為60℃，設(shè)計(jì)溫度為90℃，設(shè)計(jì)壓力為900kPa，泵進(jìn)出口管嘴為6”，磅級(jí)為CL150，管嘴的許用值取API 610的2倍[4]。正常操作時(shí)兩用一備。注水緩沖罐布置在反沖洗泵的上層甲板，因此泵入口匯管布置在泵入口的上方。根據(jù)實(shí)際可能發(fā)生的工況組合，分三種工況進(jìn)行分析，建立如圖2的三個(gè)模型：(a)A、B泵工作，C備用；(b) A、C泵工作，B備用；(c)B、C泵工作，A備用。工作泵的操作溫度是60℃（黃色），壓力為設(shè)計(jì)壓力900kPa。備用泵的操作溫度為正常操作溫度的一半即30℃，設(shè)計(jì)壓力為101kPa，備用泵的操作溫度和設(shè)計(jì)壓力的輸入分界點(diǎn)為濾器入口截止閥至泵出口截止閥，如圖2中紫色顯示區(qū)域。

3.1.2 布置方案

方案一是根據(jù)配管專業(yè)提供的原始布置方案，濾器的進(jìn)出口和泵的入口直接相連，且濾器出口和泵間直管段③只有400，濾器入口截止閥布置在水平管線上，各分支立管①的彎頭處分別設(shè)置剛性支撐彎頭支架②，摩擦系數(shù)為0.3。出口管線的止回閥和截止閥，布置在水平管段上，避免了閥門重量作用在泵嘴上。對(duì)(a)工況分析后，出口三個(gè)管嘴的載荷滿足規(guī)范的要求，而B、C泵的入口管嘴的載荷超過了許用值，校核結(jié)果如表1所示。其中B泵入口軸向、徑向的力都超標(biāo)，而且比例較大，現(xiàn)在以B泵為例，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，找出影響泵管口載荷的因素。

圖2 方案一

方案二：修改入口側(cè)彎頭支架的摩擦系數(shù)。支架與鋼結(jié)構(gòu)的接觸面及對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)通常有三種，如表2所示。

方案一中，彎頭假腿與鋼板直接接觸，摩擦系數(shù)為0.3，現(xiàn)在假腿和鋼板間墊3mmPTFE墊板，B泵入口載荷如表3所示。修改摩擦系數(shù)后，軸向力的值減小到許用值范圍以內(nèi)，可見摩擦載荷對(duì)設(shè)備管口載荷有顯著的影響，減小摩擦系數(shù)，即減小了對(duì)管道熱漲的約束，減小了在軸向方向的推力。

方案三：調(diào)整濾器出口與泵入口間直管段的長(zhǎng)度。

方案二的校核結(jié)果表明，減小摩擦系數(shù)不能明顯改善徑向方向的載荷，這是由于徑向載荷超標(biāo)的原因是系統(tǒng)的某些支架脫空，造成閥門管線的重量落在管口上，需要通過改變系統(tǒng)的柔性，使重量分布均衡。先逐漸增加直管段的長(zhǎng)度至500、600、700、800，可以從圖3看出，徑向載荷比逐漸減小，到800時(shí)已低于許用值。因此，增加泵與濾器之間管段的直長(zhǎng)度可以有效減小泵口徑向載荷。

表1 方案一管嘴載荷

表2 摩擦系數(shù)

表3 方案二管嘴載荷

圖3 方案三管嘴載荷比

方案四：調(diào)整入口截止閥的位置。

方案三雖然可以有效降低載荷，但海洋石油平臺(tái)空間緊張，泵與濾器之間直管段不宜過長(zhǎng)，需將濾器入口閥門布置在分支立管上，如圖4所示。這種布置方式不僅增大泵入口直管段的長(zhǎng)度，增加了濾器入口管線的柔性，而且將閥門重量轉(zhuǎn)移到彎頭支架上，減小管口載荷。

方案五：增加入口管線彎頭，增加分支立管的高度。

該方案也是增加了入口管線的柔性，通過水平管線吸收熱漲位移，減小熱漲推力；立管高度增加可以減小遠(yuǎn)端管道對(duì)泵管口的側(cè)向推力。但是增加彎頭會(huì)增加系統(tǒng)阻力和管道成本。

圖4 方案四

圖5 方案五

3.2 案例二：離心泵—側(cè)進(jìn)側(cè)出

3.2.1 系統(tǒng)描述

本案例分析的是三臺(tái)注水泵系統(tǒng)操作溫度為60℃，設(shè)計(jì)溫度為90℃，設(shè)計(jì)壓力19800kPa，泵進(jìn)出口管嘴為8”和6”，壓力等級(jí)CL1500，壁厚SCH160。磅級(jí)大于600的離心泵，在設(shè)備澄清階段，向廠家提出管嘴許用值要不低于API 610規(guī)定的3倍要求，同時(shí)廠家應(yīng)提供有限元分析報(bào)告。

3.2.2 布置方案

方案一如圖6所示，為配管原始的布置方案，當(dāng)泵A、B泵工作，C泵備用時(shí)，載荷最大管嘴校核結(jié)果如表4所示。其中，A泵進(jìn)口載荷超出許用值接近4倍，從圖7的熱位移變形可以看出，A泵入口管線有較大變形，這是因?yàn)橹雇浦Ъ茉O(shè)置在靠近C端一側(cè)，管線只能向A側(cè)熱漲。由于入口彎頭支架已脫空，入口管線及閥門重量作用在管嘴上，同時(shí)對(duì)管嘴形成較大的力矩，如不調(diào)整，會(huì)造成管口破壞。

方案二：設(shè)置彈簧支架。

對(duì)于系統(tǒng)壓力等級(jí)高的系統(tǒng)，壁厚較厚，剛性大柔性小，管道重量、閥門法蘭重量都相對(duì)較高，造成管口徑向力超標(biāo)，同時(shí)產(chǎn)生較大的摩擦阻力，導(dǎo)致作用在管口側(cè)向推力大，管道熱脹冷縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力也比低磅級(jí)管線要大，對(duì)管線柔性設(shè)計(jì)要求較高，只通過改增加彎頭，改變管線走向很難滿足要求，考慮設(shè)置彈簧支架，在管線有豎直方向位移時(shí)，彈簧支架仍能承受管道載荷，使整個(gè)管道系統(tǒng)重量平衡。彈簧的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47039-2013《可變彈簧支吊架》。彈簧的選用步驟如下：

（1）去掉剛性支撐，分析得到管道變動(dòng)位移（向上或向下）。

（2）從彈簧表中估算彈簧的行程范圍。

（3）載荷行程一定的情況下，選擇滿足熱載要求的最小牌號(hào)彈簧。

（4）確定彈簧的荷載范圍滿足冷態(tài)載荷的要求，冷載的計(jì)算方法如下。

（5）冷載=熱載+位移×彈簧剛度（位移向上）。

（6）冷載=熱載-位移×彈簧剛度（位移向上）。

如果冷載超過了彈簧表中的載荷范圍，就需要選擇大牌號(hào)的彈簧或者大行程的彈簧。

（7）校核所選彈簧的載荷變化率：

對(duì)于普通管道，行程變化范圍內(nèi)載荷變化率限制為25%，對(duì)于像蒸汽透平接口附近和與轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備連接的管線，載荷變化率限制在10%。

（8）選用的彈簧支架滿足所有備用工況的管口載荷要求。

圖6 方案一

圖7 熱位移變形圖

圖8 方案二

表4 方案一管嘴載荷

按照以上步驟，在入口分支的立管彎頭處各設(shè)置一個(gè)彈簧支架，對(duì)于出口環(huán)向超標(biāo)的問題，水平彎頭處設(shè)置單向限位支架，使出口水平管線的摩擦阻力作用在支架上，減小泵口受力，如圖8方案二所示。經(jīng)調(diào)整后，所有管口載荷均減小至許用值以下，如表5所示。

表5 方案二管嘴載荷

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程實(shí)例，通過對(duì)側(cè)進(jìn)頂出、側(cè)進(jìn)側(cè)出兩種離心泵系統(tǒng)布置方案的研究，總結(jié)出減小離心泵管口外載荷的方法：(1)在泵管道前期設(shè)計(jì)時(shí)盡量增加管道的柔性，設(shè)備與泵口盡量避免直接連接，走L形或U型路徑，并留有足夠的空間，便于根據(jù)受力情況對(duì)管線進(jìn)行調(diào)整；(2)在靠近泵的管段上預(yù)留支架位置，以使管段受力平衡，避免管口承受過大的力和彎矩；(3)在支架接觸面上增加PTFE墊板，減小摩擦系數(shù)；(4)合理設(shè)置彈簧支架，減小因管道在熱態(tài)下脫空造成管口承載過大，同時(shí)在位移小的位置設(shè)置限位支架，保證系統(tǒng)的剛度，避免振動(dòng)；(5)在空間允許的情況下，適當(dāng)加大泵管嘴與連接濾器或設(shè)備之間的直管段長(zhǎng)度，以減小由于管線撓度過大而產(chǎn)生的力和力矩。