大型中開泵進(jìn)出口壓差對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響研究

普國(guó)偉

（廣東肯富來泵業(yè)股份有限公司，廣東佛山 528131）

1 故障現(xiàn)象

某化工廠循環(huán)水泵改造項(xiàng)目中用于替換舊泵選用的離心泵是進(jìn)口口徑DN1200、出口口徑DN1000 的大型單級(jí)雙吸水平中開臥式離心泵，新泵投入使用后出現(xiàn)聯(lián)軸器膜片頻繁斷裂的問題。為找出問題原因，使用百分表測(cè)量，具體方法為：分別在泵啟動(dòng)后達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)和停泵后測(cè)量泵非驅(qū)動(dòng)端軸承體A、驅(qū)動(dòng)端軸承體B 和泵腳C 處的位移量，其中A、B 處的位移量測(cè)量以地面為基準(zhǔn)，測(cè)量C 處位移以泵基礎(chǔ)為基準(zhǔn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示，測(cè)得數(shù)據(jù)見表1。表中“+”為沿管路方向從泵進(jìn)口向泵出口方向位移，反之為“-”。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意

2 故障分析

通過測(cè)量數(shù)據(jù)，認(rèn)為泵軸承體處位移量明顯，且A 處和B 處位移量不同，聯(lián)軸器膜片頻繁損壞可能是泵本身的強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足，在運(yùn)行過程中產(chǎn)生彈性形變?cè)斐?。了解測(cè)量經(jīng)過并分析數(shù)據(jù)結(jié)果，認(rèn)為判定泵本身是否產(chǎn)生形變或位移需要對(duì)上述測(cè)量方式進(jìn)行改進(jìn)。在測(cè)量泵軸承體處的形變量時(shí)，要以泵腳或泵的其他相對(duì)固定的位置為測(cè)量基準(zhǔn)，而不是以地面為測(cè)量基準(zhǔn)。而上述軸承體A、B 處測(cè)量得的數(shù)據(jù)為泵軸承體相對(duì)地面產(chǎn)生的位移量，無(wú)法證明泵本身產(chǎn)生了形變；其次，若整個(gè)泵殼產(chǎn)生較大的形變，根據(jù)API 610—2004《石油、重化學(xué)和天然氣工業(yè)離心泵》規(guī)定的泵內(nèi)部葉輪和密封環(huán)間隙值[1]，3 mm 的變形量足以導(dǎo)致葉輪和密封環(huán)卡死，從而導(dǎo)致泵無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但故障設(shè)備除聯(lián)軸器膜片損壞以外，運(yùn)行一切正常。

聯(lián)軸器膜片損壞排除機(jī)組對(duì)中問題和膜片本身的質(zhì)量問題以外，可能原因還有水泵整體位移、水泵變形位移、水泵水泥基礎(chǔ)位移、管道應(yīng)力等?；谝陨显斐伤梦灰频目赡茉颍枰獪y(cè)量水泵啟動(dòng)運(yùn)行后達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)與停泵后位移對(duì)比，以便分析泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生位移的原因，針對(duì)以上問題重新擬定新的測(cè)量方案。

3 改進(jìn)測(cè)量方式重新測(cè)量

3.1 改進(jìn)測(cè)點(diǎn)布置

參考泵振動(dòng)較大的位置[2]和泵可能產(chǎn)生變形或位移的位置布置測(cè)點(diǎn)，改進(jìn)后的測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后的測(cè)點(diǎn)布置

（1）以水泵靠近出口的泵腳為基準(zhǔn)，使用百分表測(cè)量水泵非驅(qū)動(dòng)端軸承座位移量①、驅(qū)動(dòng)端軸承座位移量②。此處測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可體現(xiàn)泵軸承座相對(duì)泵腳的位移量，分析泵本身是否產(chǎn)生變形。

（2）以泵基礎(chǔ)面為基準(zhǔn)，使用百分表測(cè)量水泵進(jìn)口法蘭的位移量③、出口法蘭的位移量④，測(cè)量靠近泵出口的泵腳在管路方向上的位移量⑤及在豎直方向上的位移量⑥。此處測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可體現(xiàn)泵相對(duì)泵基礎(chǔ)在各個(gè)方向上的位移量，分析泵是否位移和位移趨勢(shì)。

（3）以地面為基準(zhǔn)，使用百分表測(cè)量靠近水泵進(jìn)口處的水泵水泥基礎(chǔ)在管路方向的位移量⑦，測(cè)量靠近水泵出口處的水泵水泥基礎(chǔ)在管路方向的位移量⑧。此處測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可體現(xiàn)水泵水泥基礎(chǔ)位移量，分析水泵水泥基礎(chǔ)是否位移和位移趨勢(shì)。

3.2 測(cè)量方式及操作步驟

步驟1：布置測(cè)點(diǎn)，把百分表安裝到需要測(cè)量的位置，百分表調(diào)零，記錄百分表底數(shù)讀數(shù)。

步驟2：?jiǎn)?dòng)泵，調(diào)節(jié)閥門，使泵的出口壓力達(dá)到額定工況點(diǎn)，泵穩(wěn)定運(yùn)行后，記錄此時(shí)的百分表讀數(shù)。

步驟3：記錄所有測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)后，再次進(jìn)行百分表調(diào)零，并記錄百分表底數(shù)讀數(shù)。

步驟4：停泵，待泵完全停止后記錄百分表的讀數(shù)。

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)

改進(jìn)測(cè)量方式后的測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。表中“+”為沿管路方向從泵進(jìn)口向泵出口方向位移，反之為“-”。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出測(cè)點(diǎn)⑦和⑧明顯異常，數(shù)值遠(yuǎn)超正常偏移量，而其他測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值相對(duì)正常，說明泵基礎(chǔ)在泵啟動(dòng)運(yùn)行后達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)和停泵后相對(duì)地面產(chǎn)生了明顯偏移，啟動(dòng)時(shí)沿管路方向從泵出口向泵進(jìn)口方向偏移，停泵后基本復(fù)原。從現(xiàn)場(chǎng)也可以看到地面和泵基礎(chǔ)之間有明顯的裂縫。通過實(shí)驗(yàn)證明了泵基礎(chǔ)存在較大的問題，同時(shí)其他測(cè)點(diǎn)的數(shù)值也說明泵本身沒有產(chǎn)生初始認(rèn)為的嚴(yán)重變形。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)（改進(jìn)后）

3.4 原因分析

由于泵系統(tǒng)在工作時(shí)，流體經(jīng)過泵葉輪做功增壓，泵的出口壓力大于進(jìn)口壓力，出口和進(jìn)口存在壓差，方向由出口指向進(jìn)口，此壓差力與泵的口徑和揚(yáng)程有關(guān)。以此項(xiàng)目為例，泵出口口徑為DN1000，泵關(guān)死點(diǎn)壓力為0.73 MPa（G），在垂直出口法蘭面指向進(jìn)口方向上受到的推力F 約為639 kN。若與泵連接的管路無(wú)有效的固定與支撐，泵啟動(dòng)工作時(shí)此推力將作用于泵法蘭和基礎(chǔ)上。

某些改造項(xiàng)目為降低改造成本不愿改變?cè)谢A(chǔ)，忽略了擴(kuò)容后原有基礎(chǔ)的適用性，導(dǎo)致泵機(jī)組運(yùn)行中存在較大的安全隱患，機(jī)組維護(hù)成本也大大增加。上述案例中因新泵流量、揚(yáng)程增加，口徑加大，但泵基礎(chǔ)還利用舊泵的基礎(chǔ)，此時(shí)泵的基礎(chǔ)強(qiáng)度顯然不足。推力將導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生變形和偏移，嚴(yán)重時(shí)基礎(chǔ)和地面間會(huì)出現(xiàn)清晰可見的裂縫，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致聯(lián)軸器不對(duì)中聯(lián)軸器膜片損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞泵和電機(jī)軸承，甚至造成泵的主軸斷裂，嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命。

除泵的基礎(chǔ)存在問題以外，項(xiàng)目在管路安裝方面也有明顯缺陷。因?yàn)槭歉脑祉?xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)安裝尺寸受到許多客觀因素限制，為滿足新泵的安裝尺寸，泵進(jìn)口管路上安裝的膨脹節(jié)多達(dá)3 個(gè)，且膨脹節(jié)均處于活動(dòng)狀態(tài)。在泵與管路安裝完成對(duì)中后，膨脹節(jié)若沒有進(jìn)行剛性連接及有效固定，會(huì)在泵啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)受力壓縮或拉伸，使泵受到額外的力。過多的膨脹節(jié)會(huì)增加管路系統(tǒng)的不確定性，一般情況下每2 個(gè)固定支座之間只能安裝1 個(gè)非約束型膨脹節(jié)。從現(xiàn)場(chǎng)還可以看到膨脹節(jié)有明顯變形，而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不應(yīng)采用膨脹節(jié)變形（拉伸、壓縮、橫向位移、角位移）的方法補(bǔ)償管道的安裝誤差[3]。與泵組連接的管道應(yīng)從泵組側(cè)開始安裝，并應(yīng)先安裝管道支架，管道和閥門等的重量和附加力矩不得作用在泵組上[4]。

4 改進(jìn)措施

在實(shí)際工程案例中，類似案例并不少見，另一個(gè)項(xiàng)目案例中也出現(xiàn)了類似問題。同樣最初也是發(fā)現(xiàn)了多臺(tái)泵聯(lián)軸器膜片發(fā)生斷裂，停泵檢查后發(fā)現(xiàn)：泵在底座上向泵入口方向發(fā)生偏移，最大偏移量達(dá)7 mm，打表復(fù)測(cè)其他的泵，發(fā)現(xiàn)全部都有泵入口方向位移的現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，發(fā)現(xiàn)與泵連接的進(jìn)出口管路上也安裝有膨脹節(jié)，且膨脹節(jié)均處于自由活動(dòng)狀態(tài)。由此可見，泵啟動(dòng)后發(fā)生位移，管路沒有得到有效支撐固定，是泵位移的主要原因。

該項(xiàng)目因泵帶獨(dú)立底座，用戶提出在泵底座上增加止推裝置，強(qiáng)行固定住泵腳。泵作為循環(huán)系統(tǒng)的一部分，整個(gè)系統(tǒng)中的各部分是相輔相成的在工作運(yùn)行中各司其職。僅在泵底座上增加止推裝置的方案看似暫時(shí)固定住了泵，使其不位移，但是泵獨(dú)自承受了整個(gè)系統(tǒng)的推力。若長(zhǎng)時(shí)間在此工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，泵將產(chǎn)生不可逆的塑性變形，影響泵的使用壽命。在其他項(xiàng)目中就出現(xiàn)了因管路安裝不符合規(guī)范而導(dǎo)致泵進(jìn)出口法蘭被拉裂的情況，所以只固定泵腳非長(zhǎng)久之計(jì)。要從根本上解決此問題，必須要做好管路支撐和固定。

上述案例提醒泵設(shè)計(jì)者在校核泵法蘭強(qiáng)度時(shí)，需同時(shí)考慮密封力、介質(zhì)力、預(yù)緊力三部分[5]，特別是介質(zhì)力（即泵進(jìn)出口壓差力）一項(xiàng)在實(shí)際案例中對(duì)泵組的影響不可小覷。根據(jù)泵的安裝規(guī)范，與泵連接的管路應(yīng)具有獨(dú)立，牢固的支承[6]。管道的常見支撐和約束結(jié)構(gòu)有支墩和鎮(zhèn)墩（圖3）。支墩的作用是支承管道，承受水重和管道重量的垂直方向分力，限制管道的徑向位移；鎮(zhèn)墩的作用是固定管道并承受管道傳來的軸向力，限制管道的軸向位移[7]。雖然在工程案例中支墩和鎮(zhèn)墩的結(jié)構(gòu)形式和安裝方式多種多樣，但在管道安裝時(shí)必不可少。

圖3 支墩和鎮(zhèn)墩

此外還需要注意的是，在我國(guó)沿海地區(qū)，很多大型化工廠廠址靠近海邊，部分廠址是由圍海造田而得，故較常出現(xiàn)基礎(chǔ)下沉的現(xiàn)象。當(dāng)基礎(chǔ)下沉后原本支墩的作用減弱，甚至部分支墩已經(jīng)與管道分離，失去支承作用。在某些實(shí)際工程案例中，為了降低成本或受場(chǎng)地限制，往往會(huì)減少鎮(zhèn)墩的數(shù)量。如需安裝膨脹節(jié)，膨脹節(jié)兩側(cè)應(yīng)設(shè)置2 個(gè)鎮(zhèn)墩以承受管道軸向力。若場(chǎng)地條件不允許，可采用帶穿杠的膨脹節(jié)，待管路安裝完成后用穿杠鎖緊膨脹節(jié)，使之與管路最終是剛性連接的。若不采取相關(guān)措施，在與泵連接的管道處于自由或可活動(dòng)狀態(tài)下啟動(dòng)泵組，泵或泵基礎(chǔ)必然會(huì)產(chǎn)生位移。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在泵的安裝改造中，為節(jié)約成本而減少甚至不設(shè)置支墩、鎮(zhèn)墩的方法是不可取的，系統(tǒng)管路的安裝需符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。泵進(jìn)出口的壓差是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能，只有在管路安裝時(shí)合理設(shè)置支墩和鎮(zhèn)墩，使得泵附近的管道得到適當(dāng)?shù)闹魏图s束，泵機(jī)組才能平穩(wěn)運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命，達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。