王永磊 中海油石化工程有限公司 青島 266100

在應(yīng)力計(jì)算過程中，最大的難點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備（如泵、壓縮機(jī)和渦輪機(jī)）的管道應(yīng)力分析。如果旋轉(zhuǎn)設(shè)備管口受力載荷過大，容易引起設(shè)備本體變形或者軸不對中，從而引起設(shè)備損壞或振動。設(shè)備管口允許的力和力矩極低，而降低力和力矩值的難度卻較大[1]。

本文以離心泵為例，結(jié)合泵管口應(yīng)力校核，對降低離心泵管口受力載荷提出管道設(shè)計(jì)中的一些建議和方法，希望對管道工程師掌握旋轉(zhuǎn)設(shè)備管道設(shè)計(jì)有所幫助。

API610 是離心泵類常用標(biāo)準(zhǔn)，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外石油、化工以及天然氣行業(yè)中。離心泵的管口荷載一般按照API610 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其明確規(guī)定了泵殼按2 倍API610 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，管道設(shè)計(jì)者按1 倍API610 管口允許荷載進(jìn)行管道設(shè)計(jì)（具體數(shù)值見表1），這樣能夠保證整套泵組安全、長周期、可靠地運(yùn)行。管機(jī)人員應(yīng)力計(jì)算的目的就是要對管系進(jìn)行應(yīng)力分析，對設(shè)備管口進(jìn)行應(yīng)力校核，以保障管口荷載運(yùn)行在允許荷載以下。

表1 API610 管口允許受力荷載值

從表1 中可以看出，API610 對離心泵管口受力載荷要求比較苛刻。在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行過程中，應(yīng)力工程師結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，經(jīng)常要求泵管口允許的受力載荷按照API610 的2 倍甚至多倍，以利于后期管口受力校核順利通過，但上述要求是以提高設(shè)備采購成本為代價(jià)的。本文通過多年的工作實(shí)踐，歸納總結(jié)出以下幾種方法和思路，以降低泵管口受力載荷。

1 降低管口荷載的幾點(diǎn)建議

1.1 合理選擇彈簧支吊架的位置

與難以控制的熱膨脹載荷不同，自重載荷更容易控制。為了支撐重量，主要有兩種類型的支架：剛性支架和彈簧支架。在垂直熱位移忽略不計(jì)的地方盡量使用剛性支架，這是因?yàn)閯傂灾胃?jīng)濟(jì)、更穩(wěn)定，且可以很容易地吸收任何負(fù)荷波動。然而有許多地方由于垂直管道熱位移的原因，造成剛性支撐失效。懸臂泵的彈簧支架設(shè)置見圖1。

圖1 懸臂泵的彈簧支架設(shè)置

圖1（a）示意了懸臂式離心泵的出口管道。對于溫度較高的管路系統(tǒng)，泵出口管道上的第一個支撐經(jīng)常需要設(shè)置可變彈簧吊架。從圖1（a）中彈簧支吊架設(shè)置的位置可以看出，任何垂直的力都會在這種懸臂條件下產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，導(dǎo)致泵較大的變形。

如圖1（b）所示，在泵出口第一個彎頭處設(shè)置彈簧支吊架時，可以使該處的重量載荷減小到零或者很容易接近于零。泵管口受力和力矩都可以降低到較低的水平。

故泵出口彈簧支架設(shè)置的位置較為關(guān)鍵，選擇不好可能會加重泵管口所受的力和力矩。

1.2 降低泵管口管件的剛度

某油氣處理廠改造工程項(xiàng)目中，泵入口直管段調(diào)整管徑前后配管情況圖2。

圖2 直管段調(diào)整管徑前后配管情況

從圖2（a）看出，泵入口的其中一個力矩My偏大，在配管無法調(diào)整的情況下，經(jīng)過分析，是由于泵入口大小頭之前的直管段（DN250）柔性不夠，無法吸收Z 方向的熱位移，管口水平方向的力矩過大。經(jīng)過調(diào)整，將入口大小頭前加長800mm(DN150)的直管段，如圖2（b）所示，My明顯好轉(zhuǎn)。調(diào)整前后的管口受力載荷值如表2、表3 所示：通過調(diào)整，管口所受力、力矩均滿足1 倍API610 要求。

表2 調(diào)整前管口受力荷載值

表3 調(diào)整后管口受力荷載值

故靠近管口的鋼管及管件管徑越大、壁厚越大，其柔性越差，在同等條件下，管口實(shí)際荷載越大。在類似應(yīng)力計(jì)算時，應(yīng)充分考慮該方面的優(yōu)化[2]。

1.3 增加自然補(bǔ)償

兩臺泵并排布置時，泵間管道產(chǎn)生的熱膨脹力（力矩）往往是使泵受力超標(biāo)的主要原因。故在雙泵安裝中，最基本的要求是提供足夠的柔性。如果兩臺泵之間的柔性不夠，不論管道的其他部分有多靈活，配管應(yīng)力都無法通過，沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師經(jīng)常忽略這個基本要求。如圖3（a）所示，兩臺泵之間的柔性是由立管提供的，立管的長短直接影響管口荷載值的大小，該配管方式適用于小型或低溫系統(tǒng)。而對于大型或高溫管道系統(tǒng)，圖3（a）配管方式的靈活性不足以吸收水平方向的位移，導(dǎo)致泵管口受力過大。一般采用如圖3（b）所示的配管方式，其U 形彎的長度越長，柔性越好。在實(shí)踐過程中，一般將U 形彎部分放置在平臺上，方便入口閥門操作及過濾器的檢修。

圖3 頂部管口常用的配管方式

1.4 增設(shè)膨脹節(jié)

設(shè)置膨脹節(jié)可顯著改善管口的受力和力矩。但考慮到膨脹節(jié)使用條件苛刻，維護(hù)困難，泵管線需謹(jǐn)慎使用膨脹節(jié)。當(dāng)采用其它方法無法使設(shè)備管口載荷滿足要求時，對無毒非可燃、不存在固體顆粒積聚的介質(zhì)，可以考慮使用膨脹節(jié)。圖4 所示為某加氫裝置離心泵入口管線增設(shè)膨脹節(jié)，來降低入口管口的力與力矩。

圖4 某高溫泵入口增設(shè)膨脹節(jié)

若使用膨脹節(jié)，一般應(yīng)滿足下列條件：

（1）設(shè)備間距小，直接相連管系柔性不足，又無法采用其他布置形式。

（2）為追求最小壓降。

（3）自然補(bǔ)償無法進(jìn)一步減小泵口受力。

（4）采用膨脹節(jié)比自然補(bǔ)償更為經(jīng)濟(jì)。

1.5 降低管口附近摩擦力的影響

為減小泵體受外力作用，可對靠近泵管段上的支架采取措施，以降低其摩擦力，使管口的熱脹能傳遞出去，進(jìn)而降低其受力。

在摩擦力影響較大時，可在支架下加裝聚四氟乙烯墊片或采用吊架以減小對泵管口的軸向推力[3]。

圖5 所示為某加氫裝置中的分餾塔至柴油進(jìn)料泵管道，泵管口的Fz比較大，因立管段加上閥門（CL300 DN300）的重量很大，造成支架PS-1、PS-2 摩擦力較大，管嘴處的熱脹無法釋放，導(dǎo)致Fz偏大。通過將泵管口附近的支架PS-1、PS-2 增設(shè)聚四氟乙烯墊片，降低支架的摩擦系數(shù)，F(xiàn)z明顯減小。

圖5

圖6 所示為某污水處理廠泵出口高壓管線，壓力為CL1500，出口管徑為DN350，閘閥的重量為約4.5t（包括配對法蘭、墊片及螺栓），若摩擦系數(shù)采用0.3（鋼對鋼），通過CAESAR Ⅱ計(jì)算，泵的Fx及Mz的值特別大，無法滿足受力要求，受力荷載值見表4。若將摩擦系數(shù)降為0.1，調(diào)整后的管口所受力、力矩見表5，均滿足1 倍API610 要求。降低摩擦系數(shù)的施工方法如圖7 所示。

圖6 某污水處理廠泵出口高壓管線

圖7 摩擦面制作示意圖

表4 調(diào)整前管口受力荷載值

表5 調(diào)整后管口受力荷載值

圖8 為某加氫裝置原料泵入口管線吊架設(shè)置情況，管線壓力大、管壁厚，造成單位長度管道的重量很大，故增設(shè)吊架來減小摩擦力的影響。

圖8 某加氫裝置原料泵入口管線吊架設(shè)置

2 需要注意的問題

理論上可行，實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用比較困難。以下是在管道設(shè)計(jì)過程中需要特別注意的幾個問題：

2.1 靈活性過大

管道需要足夠的柔性，以滿足管系二次應(yīng)力的要求。但如果柔性過大，依然可能造成設(shè)備管口應(yīng)力超標(biāo)甚至管系的振動。圖9 為泵進(jìn)口管道，雖然該管系使用了充分的回路，但由于缺乏約束，柔性過大，泵管口受力載荷依然很大。同時，過大的柔韌性使它容易受到很小的擾動力而發(fā)生振動現(xiàn)象。此外，管道回路可能會產(chǎn)生過大的壓降，從而將系統(tǒng)壓力降低到飽和壓力以下，造成管道內(nèi)部局部汽化，發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，降低泵的效率和泵的使用壽命[4]。

圖9 過度的柔性導(dǎo)致的操作問題

由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備管口允許的載荷較低，管道工程師使用了許多巧妙的方案，試圖使管道滿足要求。其中一些方法在工作中運(yùn)行得很好，還有一些只是

2.2 可行性不足

通常，管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中會采取一些約束來控制管道的運(yùn)動，如：止推支架、導(dǎo)向支架等，避免敏感設(shè)備管口受力過大。部分限制措施在理論上可行，工程上運(yùn)行效果卻不佳，見圖10。

圖10 理論約束帶來的問題

（1）圖10（a）、（b）顯示了放置在z 方向線上的典型止推支架，以保護(hù)設(shè)備免受被z 方向力。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于該止推支架離設(shè)備太近，盡管抑制了Z 方向的力，但同時由于摩擦力的作用，限制了管道在正x 方向的膨脹。這種熱膨脹會產(chǎn)生較大的x 方向反作用力，從而對設(shè)備管口產(chǎn)生較大的力矩。

（2）如圖10（c）、（d）所示，通常在設(shè)計(jì)止推支架時會預(yù)留間隙，以確保管道平穩(wěn)運(yùn)動。但在實(shí)際工程施工階段，由于施工誤差或其它原因，非常容易造成間隙出現(xiàn)偏差，從而造成后期運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)模擬工況出現(xiàn)較大偏差，影響管系的穩(wěn)定或者造成設(shè)備管口產(chǎn)生較大的力矩。

3 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)設(shè)備管系是目前管道設(shè)計(jì)中最困難的系統(tǒng)之一，由于設(shè)備管口處允許的受力載荷較低，管道工程師和管機(jī)工程師長期以來一直在不停地解決此類問題。它不僅需要深厚的理論基礎(chǔ)，更需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

在設(shè)計(jì)階段初期，管道工程師應(yīng)針對旋轉(zhuǎn)設(shè)備管系設(shè)計(jì)及時與管機(jī)工程師溝通協(xié)調(diào)，提前采取有效措施，降低設(shè)備管口載荷，以避免后期返工。

本文闡述的幾種方法，希望對管道工程師進(jìn)行旋轉(zhuǎn)設(shè)備管道設(shè)計(jì)有所幫助。