敬文娟
(新地環(huán)保技術(shù)有限公司,河北 廊坊 065000)
往復(fù)泵主要適用于高壓(或超高壓)、小流量,要求泵的流量恒定或定量(計量)或成比例地輸送各種不同的介質(zhì)(液體),或者要求吸入性能好或者要求有自吸性能的場合。(往復(fù)泵設(shè)計)其特點是其他類型泵不及的,因此廣泛應(yīng)用于石化、環(huán)保等行業(yè)中。
往復(fù)泵是借助于活塞(柱塞)在液缸工作腔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(或通過隔膜、波紋管等撓性元件在工作腔里周期性彈性變形)來使工作腔里的容積周期性變化來達(dá)到輸送液體的目的。
在往復(fù)泵管道設(shè)計階段,設(shè)計師沒有過多關(guān)注管道是否會發(fā)生泄漏、斷裂或振動情況。一般在現(xiàn)場出現(xiàn)問題后,由多方面的專家來共同處理,解決問題。例如現(xiàn)場管道出現(xiàn)振動情況時,現(xiàn)場找尋相關(guān)振動檢測機(jī)構(gòu)來進(jìn)行檢測,根據(jù)結(jié)果找到引起振動的原因,進(jìn)一步進(jìn)行解決。如果在管道設(shè)計階段就多加關(guān)注,尤其是小細(xì)節(jié)方面,總結(jié)各項目現(xiàn)場經(jīng)驗,那么在以后的設(shè)計當(dāng)中,是否就可以有效的避免現(xiàn)場再次出現(xiàn)類似的問題。
下面就以現(xiàn)場出現(xiàn)過的幾個問題來進(jìn)行描述,給予一定的設(shè)計建議。
往復(fù)泵進(jìn)出口管道上,泄漏點出現(xiàn)在三通上接閥門處的焊縫上?,F(xiàn)場有分支的管道布置如圖1所示。
圖1 現(xiàn)場出現(xiàn)漏點的局部圖
從圖1中可以看到分支三通直接焊接了閥門的連接法蘭,后接閥門。由于閥門自身重量為得到一定的支撐,使其所有的重量都壓在了三通的焊縫上,從而導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)了漏點。針對主管上有分支,且需就近加閥門時,需要考慮加入直管段,同時在直管段上加入角撐板,將閥門的重量引到主管上,在主管的三通兩端增加支撐,使在保護(hù)焊縫的同時,所有的重量轉(zhuǎn)移到了支架上,保證了管道系統(tǒng)的安全。其改造后的布置如圖2所示。
圖2 改造后的局部圖
現(xiàn)場的斷裂出現(xiàn)在儀表管道上。往復(fù)泵出口會設(shè)置壓力表,以觀察流體的壓力變化。圖3為現(xiàn)場的分支管布置情況,當(dāng)沒有任何支撐時現(xiàn)場運(yùn)行一段時間,壓力表下面出現(xiàn)了管道的直接斷裂。
圖3 現(xiàn)場壓力表布置圖
往復(fù)泵出口管道壓力脈動,會作用在支管上,同時分支處流體剝離,形成了湍流,湍流也會對支管內(nèi)的流體產(chǎn)生周期性擠壓,而引起支管振動。由于支管沒有任何約束和限制或者說支架/管夾沒有支撐連接末端的自由質(zhì)量體,振動傳輸?shù)綁毫Ρ砀浇鼤r,振幅增大,經(jīng)過一段時間的運(yùn)行,出現(xiàn)疲勞,管道斷裂。
分析問題后,現(xiàn)場采取了儀表管和主管上同時放置管夾,并用角鋼將兩者連接,同時避免角鋼支撐在一個平面內(nèi),起到了一定的支撐限制作用。如圖4所示。增加支撐后,現(xiàn)場還未出現(xiàn)支管末端斷裂的情況。
振動出現(xiàn)在往復(fù)泵進(jìn)出口管上。往復(fù)泵管道的振動受多方面因素影響。
1.3.1 往復(fù)泵機(jī)組本身振動引起的管道振動
導(dǎo)致往復(fù)泵機(jī)組振動的原因很多[1],總體可以分為三類:①往復(fù)泵機(jī)組的制造精度和安裝質(zhì)量沒有達(dá)到要求,即往復(fù)泵機(jī)組本身的動平衡性能差、安裝不對中等;②結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一定缺陷,慣性力、慣性力矩平衡不夠,機(jī)組構(gòu)件剛度不夠等;③往復(fù)泵基礎(chǔ)剛度不夠。這種振動可以直接或者通過基礎(chǔ)傳遞到管道上,造成管道局部應(yīng)力集中,嚴(yán)重時出現(xiàn)疲勞裂紋,而影響裝置的正常運(yùn)行。
設(shè)計階段選擇合適的往復(fù)泵,指定有經(jīng)驗的廠家,保證往復(fù)泵的質(zhì)量;對其基礎(chǔ),宜采用環(huán)氧樹脂二次灌漿。環(huán)氧樹脂可以很好的改善往復(fù)泵基礎(chǔ)的減振性能。
現(xiàn)場進(jìn)出口管道的首個支撐坐落在泵基礎(chǔ)上??紤]到可能由于泵引起基礎(chǔ)振動,從而有支撐傳遞到管道上。首先將支撐移動地面上,避免與泵基礎(chǔ)聯(lián)合支撐?,F(xiàn)場效果有限,認(rèn)為不是泵本身的振動而帶動管道振動。
1.3.2 壓力脈動引起管道振動
由于往復(fù)泵結(jié)構(gòu)和工作特點,導(dǎo)致其入口和出口管道內(nèi)的液體呈現(xiàn)脈動狀態(tài),使管路中的流體參數(shù)(如壓力、流量、速度等)隨著活塞位置及時間做周期性的變化,管內(nèi)壓力在平均值上下脈動,產(chǎn)生了壓力脈動。在管道中流速和方向突變處,如彎頭、變徑或控制閥等處,壓力脈動會產(chǎn)生相應(yīng)的隨時間變化的激振力,管道變化產(chǎn)生一定的機(jī)械振動響應(yīng)。壓力脈動越強(qiáng),管道振動越厲害。
1.3.2.1 激振力計算
壓力脈動的大小可用壓力不均勻度δ表示[2]:
(1)
式中:Pmax——最大壓力
Pmin——最小壓力
壓力脈動ΔP是指偏離平均壓力的最大幅度:
(2)
壓力脈動大小可由下式計算[3]:
ΔP=ρ*C*Δv
式中:ρ——水的密度
Δv——流體速度的變化量
(3)
E——水的彈性系數(shù),N/m2
E0——鋼管彈性系數(shù),N/m2
d——鋼管內(nèi)徑,m
e——鋼管壁厚,m
δQ1和δQ2——流量不均勻系數(shù)
Qmax——最大流量, m3/s
Qmin——最小流量, m3/s
Qm——平均流量,m3/s
如圖5所示作用在彎頭上的激振力。
(4)
式中:ΔR——激振力,N
di——管道內(nèi)徑,m
S——管道流通面積,m2
ΔP為壓力脈動,Pa
圖5 彎管處的激振力
圖6 異徑管上激振力
圖6中1-1截面流通面積為A1,向右推力為PmA1,2-2流通面積為A2,向左推力為PmA2,兩者合力R為流體作用在異徑管上的作用力力,R=PmA1-PmA2=Pm(A1-A2)
當(dāng)流體存在壓力脈動時,與彎管類似,作用在異徑管上的激振力為:
現(xiàn)場進(jìn)出口管道上彎頭較多,支撐偏少,還采用了直接接觸的U型螺栓支撐。后期增加支撐的數(shù)目,采用防震管夾,起到一定的限制作用,但效果不太理想。進(jìn)而懷疑是泵內(nèi)部流體脈動引起的。在泵進(jìn)出口附近增加了小容量預(yù)壓式緩沖罐,起到一定的防震效果。為確保管系穩(wěn)定,又增大了緩沖罐的容積,整個管系防震效果良好。
1.3.2.2 預(yù)壓緩沖罐容積估算[4-5]
現(xiàn)場采用了預(yù)壓緩沖罐。隔膜式預(yù)壓緩沖罐有3部分組成,分別為充氣膠囊、器體和連接結(jié)構(gòu),其中充氣膠囊是主要的工作部分。其工作原理是利用氣體的可壓縮性,將液體能量蓄積,在液流低峰時釋放,起到蓄能、穩(wěn)壓、補(bǔ)償、緩沖和消除脈沖的目的。
預(yù)壓緩沖罐容積的計算方法可以參考下式:
(5)
式中:V0——所需預(yù)壓緩沖罐的容積,m3
K——緩沖罐系數(shù),預(yù)壓式取1
Pkm——泵運(yùn)轉(zhuǎn)時,緩沖罐內(nèi)惰性氣體平均壓力,取管道操作壓力
β——剩余流量系數(shù)
Vs——活塞的行程容積,m3
Pk——緩沖罐內(nèi)系統(tǒng)充氣壓力,按泵壓力的60%考慮
Ph——管路壓力損失之和,按系統(tǒng)管道壓力估算
δ——管路中允許的流量不均勻度,可根據(jù)使用要求選定
1.3.3 共振引起的管道振動
在研究和分析往復(fù)泵管道系統(tǒng)振動時,系統(tǒng)中存在著三個固有頻率和兩個振動系統(tǒng)。液柱本身具有的液柱固有頻率、管道及組件構(gòu)成結(jié)構(gòu)本身的管系機(jī)械固有頻率和往復(fù)泵中活塞往復(fù)運(yùn)動頻率為激發(fā)頻率。管內(nèi)液體形成的液柱系統(tǒng)和管道結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng),這兩個振動系統(tǒng)均由壓力脈動激發(fā)而產(chǎn)生。工程上通常以0.8~1.2倍的固有頻率范圍作為共振區(qū)。當(dāng)三個固有頻率或者其中兩個落在共振區(qū)時,系統(tǒng)會產(chǎn)生共振,表現(xiàn)為耦合振動。振動的疊加必然會產(chǎn)生該階頻率的共振,使管系產(chǎn)生較大的位移和應(yīng)力,甚至導(dǎo)致管道破壞。
1.3.3.1 液柱固有頻率計算
①管道一段封閉(往復(fù)泵端),另一端為開口(如連接緩沖罐)。
(6)
式中:i——液柱固有頻率的階次
當(dāng)i=1時,計算的頻率稱為基頻;當(dāng)i=3時,計算的頻率為第二階固有頻率,其它類推
a——液體的聲速,m/s
l——管道長度,m
②兩端均為開口的管道(如兩個大容器之間的管道連接)
液柱的固有頻率取決于管系的配管方式、長度、管徑、容器容積的大小和配置位置以及液體的種類和溫度等,改變管道和容積的尺寸以及配置方式,可改變管系的液柱固有頻率。
1.3.3.2 管系機(jī)械固有頻率[6]
①無集中荷載時,懸臂梁或簡支梁的固有頻率δ:
(7)
式中E——彈性模數(shù),kg/cm2;W——管子總重量(包括保溫、液重),kg;l——管架間距,cm;α的取值可根據(jù)邊界約束的不同,查表格選??;
②有集中荷載時,其固有頻率δ:
(8)
式中:P——集中荷載,N
ε和α——梁的形式和集中荷載的位置查表選取
1.3.3.3 激發(fā)頻率
往復(fù)運(yùn)動激振頻率計算公式為:
(9)
式中:n——缸體數(shù),n=1,2,3
N——轉(zhuǎn)速,r/min
P——作用數(shù)
現(xiàn)場運(yùn)行階段,當(dāng)泵出口壓力達(dá)到某一特定值時,出口管系振動厲害。懷疑產(chǎn)生了共振,在后期運(yùn)行中,中控室會刻意避開這一壓力值,確?,F(xiàn)場穩(wěn)定。
在今后的往復(fù)泵管道設(shè)計時,關(guān)注一些下面幾項:
首先要考慮緩沖罐的加入,預(yù)先減緩?fù)鶑?fù)泵產(chǎn)生的脈動流量和脈動壓力。
采用管夾與管道之間襯以軟木或橡膠墊,使其具有一定的彈性,吸收管線的振動;或者直接采用防振管夾,能有效地防止因振動而引起的管道疲勞失效[7]。面接觸的管夾,增加了管道支撐剛度,提高了管道自身的固有頻率。小分支管上增加支撐,并將其依附在主管上,避免與其他的管道設(shè)備或其他附件結(jié)構(gòu)相連接支撐。主管豎向分支管時,避免三通與閥門直接連接,應(yīng)采用直管段加閥門,在直管段上增加角撐板,將閥門重量轉(zhuǎn)移到主管上,并在主管的三通兩側(cè)增加支撐,避免閥門重量直接作用的三通的分支上,使焊縫破裂。對于常溫管道,適當(dāng)增加支撐,使支撐跨距是標(biāo)準(zhǔn)跨距的1/2。
減少不必要的彎頭和異徑管,避免管內(nèi)方向的突然改變及管徑的突然收縮。管道鋪設(shè)時盡量靠近地面,地面支撐給予管道一定的穩(wěn)定性。同時當(dāng)是應(yīng)力管道時,增加的管道補(bǔ)償也盡量放置在地面上,同時增加一定的導(dǎo)向和限位,提高管道系統(tǒng)剛度,避免柔性太大,引起管道振動。
同時關(guān)注往復(fù)泵進(jìn)口管道的振動,有時出口管道的振動是由進(jìn)口管引起的。但出口管的振動一般不會對進(jìn)口管有影響。
通過計算液柱本身具有的液柱固有頻率、管道及組件構(gòu)成結(jié)構(gòu)本身的管系機(jī)械固有頻率和往復(fù)泵中活塞往復(fù)運(yùn)動激發(fā)頻率,使其相互避開共振區(qū),確保管系穩(wěn)定運(yùn)行。