張 煒，黃漢華，孫景偉

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223)

當(dāng)前，石油化工裝置正不斷地朝著大型化和園區(qū)化方向發(fā)展。循環(huán)冷卻水裝置作為其中重要的基礎(chǔ)公用工程設(shè)施，其生產(chǎn)能力也在不斷擴(kuò)大。大型循環(huán)水泵作為循環(huán)水裝置的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)裝置和園區(qū)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過(guò)總結(jié)工程項(xiàng)目實(shí)踐以及相關(guān)文獻(xiàn)中提到的案例[1-5]，發(fā)現(xiàn)大型循環(huán)水泵在試車(chē)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)如下問(wèn)題：泵軸以及泵軸承損壞、電機(jī)軸承損壞、聯(lián)軸器膜片損壞、泵出口膨脹節(jié)損壞、泵土建基礎(chǔ)損壞等。

1 典型案例

某項(xiàng)目循環(huán)水泵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 循環(huán)水泵參數(shù)

泵型為水平中開(kāi)結(jié)構(gòu)，葉輪單級(jí)雙吸，泵接管口方位為側(cè)進(jìn)側(cè)出。循環(huán)水泵布置示意見(jiàn)圖1。

圖1 循環(huán)水泵布置

該泵在單機(jī)試車(chē)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，表現(xiàn)為起泵運(yùn)行不到0.5 min，泵與電機(jī)軸承振動(dòng)、軸瓦溫度超標(biāo)，軸承箱冒煙。試車(chē)多次，均出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題，造成泵與電機(jī)軸承損壞(見(jiàn)圖2)、聯(lián)軸器膜片損壞(見(jiàn)圖3)、泵出口膨脹節(jié)損壞(見(jiàn)圖4)、泵土建基礎(chǔ)損壞(見(jiàn)圖5)。

圖2 聯(lián)軸器損壞

圖3 泵基礎(chǔ)開(kāi)裂

圖4 出口膨脹節(jié)損壞

圖5 電機(jī)軸承損壞

2 故障分析

由于循環(huán)水泵電機(jī)單試過(guò)程中運(yùn)行正常，泵頭出廠也經(jīng)過(guò)了機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，并且泵的對(duì)中以及軸瓦間隙在泵試車(chē)前均檢查確認(rèn)過(guò)，泵和電機(jī)本體導(dǎo)致問(wèn)題的可能性不大。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)百分表監(jiān)控泵體位移(最大讀數(shù)達(dá)6.9mm)，結(jié)合泵基礎(chǔ)開(kāi)裂方向以及聯(lián)軸器的損壞情況分析，泵和電機(jī)損壞的原因應(yīng)是循環(huán)水泵泵體受到了朝向泵入口端的巨大推力，導(dǎo)致泵體與基礎(chǔ)產(chǎn)生相對(duì)滑移，從而使泵軸中心產(chǎn)生較大偏移，膜片聯(lián)軸器的彈性膜片不足以補(bǔ)償此偏移量。

2.1 受力分析

為了明確此推力情況，以泵體作為分析對(duì)象，基于泵啟動(dòng)階段出口閥關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)行受力分析，泵體受力示意見(jiàn)圖6。

圖6 泵體受力示意

豎直方向有泵體受泵體重力G泵，地腳螺栓的預(yù)緊力F地腳螺栓，以及基礎(chǔ)對(duì)泵體的支撐力N基礎(chǔ)。

G泵+F地腳螺栓=N基礎(chǔ)

水平方向有泵體受進(jìn)出口管道作用力，以及泵底腳面與基礎(chǔ)之間摩擦力(當(dāng)泵體與基礎(chǔ)有相對(duì)滑動(dòng)或者滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí))。

F出口管道=F入口管道+F基礎(chǔ)摩擦力

上式以朝向出口方向?yàn)檎?/p>

2.2 膨脹節(jié)對(duì)泵體受力的影響2.2.1 設(shè)置膨脹節(jié)的必要性

對(duì)于大型水泵，由于進(jìn)出口管道管徑大(本案例進(jìn)口管徑1.6m，出口管徑1.4m)，考慮到管道安裝施工、基礎(chǔ)沉降、管道溫度變化引起的熱脹冷縮效應(yīng)、隔離管系與設(shè)備間的振動(dòng)影響以及水錘效應(yīng)等，泵進(jìn)出口須設(shè)置膨脹節(jié)。

2.2.2 膨脹節(jié)拉桿全松工況

此狀態(tài)下拉桿外側(cè)鎖緊螺母未擰緊，膨脹節(jié)處于自由拉伸狀態(tài)。由于膨脹節(jié)的剛度與金屬鋼管相比差別很大，當(dāng)管道運(yùn)行帶壓時(shí)，膨脹節(jié)兩端的管道將承受由于膨脹節(jié)形變引起的盲板力，其大小為：F盲板力=P·A，其中，P為管道中流體壓強(qiáng)，A為管道流通截面積；方向?yàn)榉謩e指向與膨脹節(jié)連接的兩側(cè)管道，靠近泵出口管段部分所受盲板力直接傳遞給泵體，即F盲板力=F出口管道，按泵關(guān)閉工況壓力計(jì)算：F盲板力≈1 008 kN；可見(jiàn)，該盲板力數(shù)值是相當(dāng)大的。

結(jié)合泵水平方向的受力分析，可得：

F盲板力-F入口管道=F基礎(chǔ)摩擦力

由于泵安裝時(shí)管口進(jìn)行了無(wú)應(yīng)力對(duì)中連接，入口管道作用力可以忽略。對(duì)循環(huán)水泵泵體而言，其穩(wěn)定性表現(xiàn)為泵體與基礎(chǔ)之間的摩擦力與盲板力的平衡狀況。

而泵體與基礎(chǔ)間的摩擦力：

F基礎(chǔ)摩擦力=μ·N基礎(chǔ)=μ·(G泵+F地腳螺栓)

本案例中，地腳螺栓的規(guī)格為M48，數(shù)量為4個(gè)，單根地腳螺栓預(yù)緊力最大約為 312.7kN(按螺栓的強(qiáng)度等級(jí)4.8級(jí)考慮)[6]，取泵體與混凝土基礎(chǔ)之間的摩擦系數(shù)為0.2，計(jì)算得出：

F基礎(chǔ)摩擦力=0.2×(12 500×9.81+321 700×4)=281.885kN

比較可知：F基礎(chǔ)摩擦力=281.885kN

摩擦力明顯小于推力，泵將相對(duì)于基礎(chǔ)產(chǎn)生滑移。

2.2.3 膨脹節(jié)拉桿外側(cè)鎖緊工況

此狀態(tài)下膨脹節(jié)拉桿外側(cè)鎖緊螺母擰緊，膨脹節(jié)處于伸長(zhǎng)固定狀態(tài)。假設(shè)膨脹節(jié)段有足夠的剛度，即相當(dāng)于一段鋼管，此時(shí)膨脹節(jié)段與相連的設(shè)備管道連成一體，可看作一個(gè)剛體，相應(yīng)的盲板力則由這段鋼管材料整體來(lái)承受。在流體內(nèi)壓推力的作用下，該段管道將被拉伸。

3 問(wèn)題處理

3.1 解決問(wèn)題思路

為了保證泵體不發(fā)生偏移以及泵軸與電機(jī)軸的良好對(duì)中，泵頭部分應(yīng)作為此設(shè)備管道系統(tǒng)的固定點(diǎn)?；诖私鉀Q問(wèn)題思路，可從兩方面考慮：①當(dāng)膨脹節(jié)剛性不足時(shí)，要求泵的基礎(chǔ)強(qiáng)度和輔助推力支撐結(jié)構(gòu)能夠承受由膨脹節(jié)段盲板力以及泵與基礎(chǔ)間摩擦力差值所造成的指向泵入口端的推力；②當(dāng)膨脹節(jié)剛性足夠時(shí)，泵頭部分能抵抗由管道內(nèi)壓推力所造成的泵出口段管線的拉伸伸長(zhǎng)。因此，可把泵出口管道管件的支撐方式設(shè)置為滑動(dòng)支撐，以保證出口管道能向出口方向伸長(zhǎng)。

由于盲板力造成的推力數(shù)值巨大，在泵關(guān)閉工況下達(dá)到1 008kN。通過(guò)增加基礎(chǔ)強(qiáng)度和輔助支撐來(lái)平衡推力，設(shè)計(jì)難度大且成本較高，同時(shí)，巨大的推力可能造成泵的結(jié)構(gòu)損壞。因此，確保膨脹節(jié)拉桿以及連接耳板的強(qiáng)度和剛度能承受此盲板力是首要措施。

3.2 處理方案

基于以上分析，提出以下3點(diǎn)處理方案：①加強(qiáng)膨脹節(jié)拉桿以及連接耳板的強(qiáng)度和剛度；②為了防止分析計(jì)算過(guò)程中的取值誤差以及其余由安裝施工過(guò)程中未預(yù)見(jiàn)的偏差引起的問(wèn)題，在泵出口變徑管下面增加基礎(chǔ)(使其與原泵基礎(chǔ)連成一體)以及對(duì)變徑管處設(shè)置輔助止推支撐。支撐示意見(jiàn)圖7；③把泵出口管道管件的支撐方式修改為滑動(dòng)支撐。通過(guò)采取以上3個(gè)措施處理后，該循環(huán)水泵單機(jī)試車(chē)成功，至今運(yùn)行良好。

圖7 出口變徑管支撐示意

4 工程設(shè)計(jì)規(guī)范化建議和要求

基于相關(guān)類(lèi)似問(wèn)題的處理和分析，為了在工程設(shè)計(jì)階段就規(guī)避掉相關(guān)隱患，提出如下規(guī)范化解決方案，以期引起設(shè)計(jì)人員的重視，避免在以后的工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題。

4.1 進(jìn)出口膨脹節(jié)補(bǔ)償器的選用

大型循環(huán)水泵的進(jìn)出口膨脹節(jié)應(yīng)選用大拉桿橫向型補(bǔ)償器，其受力拉杠以及連接耳板的強(qiáng)度/剛度要求能承受管道盲板力，并在開(kāi)車(chē)前外側(cè)鎖死。由于泵進(jìn)口側(cè)膨脹節(jié)與進(jìn)水池相連，為了防止管道的熱脹冷縮以及設(shè)備對(duì)進(jìn)口管系的影響，破壞進(jìn)水管與水池的聯(lián)結(jié)，從而造成漏水，在泵開(kāi)車(chē)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口膨脹節(jié)拉桿應(yīng)該處于松脫狀態(tài)，以便維持其軸向和橫向柔性。

4.2 泵基礎(chǔ)的土建設(shè)計(jì)

對(duì)大型循環(huán)水泵，當(dāng)泵與基礎(chǔ)的摩擦力小于泵關(guān)閉壓力下的軸向推力時(shí)，泵基礎(chǔ)的土建設(shè)計(jì)應(yīng)在泵出口變徑管處設(shè)置支撐，并將泵、電機(jī)、變徑管這三部分做成一個(gè)整體基礎(chǔ)。

(1)由于出口膨脹節(jié)拉桿設(shè)計(jì)是拉緊的，因此，在正常情況下，泵、電機(jī)、變徑管的共用混凝土基礎(chǔ)不受管道軸向盲板推力，土建設(shè)計(jì)不需額外考慮此軸向推力載荷。

(2)泵出口變徑管下部加支撐的目的是為了增加泵底座側(cè)的剛性，保證泵出口管道受力拉伸時(shí)，泵基礎(chǔ)是固定端，泵軸不發(fā)生位移。

(3)泵出口變徑管下部的支撐點(diǎn)應(yīng)盡量靠近管道中心線，避免泵受到額外的彎矩作用，典型的支撐示意見(jiàn)圖7，在基礎(chǔ)中預(yù)埋配筋鋼板，止推支撐肋板的鋼板厚度推薦不小于20mm，數(shù)量不少于4片。

4.3 進(jìn)出口管道系統(tǒng)的支撐設(shè)計(jì)

大型循環(huán)水泵應(yīng)作為泵進(jìn)出口管系設(shè)計(jì)的固定點(diǎn)，將進(jìn)出口管道系統(tǒng)的支撐設(shè)計(jì)成滑動(dòng)支撐型式，保證出口管道可向泵外端自由伸長(zhǎng)和位移。