浅谈往复泵管道设计要点

2021-07-02敬文娟

广州化工 2021年12期

敬文娟

(新地环保技术有限公司，河北廊坊 065000)

往复泵主要适用于高压(或超高压)、小流量，要求泵的流量恒定或定量(计量)或成比例地输送各种不同的介质(液体)，或者要求吸入性能好或者要求有自吸性能的场合。(往复泵设计)其特点是其他类型泵不及的，因此广泛应用于石化、环保等行业中。

往复泵是借助于活塞(柱塞)在液缸工作腔内的往复运动(或通过隔膜、波纹管等挠性元件在工作腔里周期性弹性变形)来使工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的。

在往复泵管道设计阶段，设计师没有过多关注管道是否会发生泄漏、断裂或振动情况。一般在现场出现问题后，由多方面的专家来共同处理，解决问题。例如现场管道出现振动情况时，现场找寻相关振动检测机构来进行检测，根据结果找到引起振动的原因，进一步进行解决。如果在管道设计阶段就多加关注，尤其是小细节方面，总结各项目现场经验，那么在以后的设计当中，是否就可以有效的避免现场再次出现类似的问题。

下面就以现场出现过的几个问题来进行描述，给予一定的设计建议。

1 现场问题

1.1 泄漏

往复泵进出口管道上，泄漏点出现在三通上接阀门处的焊缝上。现场有分支的管道布置如图1所示。

图1 现场出现漏点的局部图

从图1中可以看到分支三通直接焊接了阀门的连接法兰，后接阀门。由于阀门自身重量为得到一定的支撑，使其所有的重量都压在了三通的焊缝上，从而导致焊缝出现了漏点。针对主管上有分支，且需就近加阀门时，需要考虑加入直管段，同时在直管段上加入角撑板，将阀门的重量引到主管上，在主管的三通两端增加支撑，使在保护焊缝的同时，所有的重量转移到了支架上，保证了管道系统的安全。其改造后的布置如图2所示。

图2 改造后的局部图

1.2 断裂

现场的断裂出现在仪表管道上。往复泵出口会设置压力表，以观察流体的压力变化。图3为现场的分支管布置情况，当没有任何支撑时现场运行一段时间，压力表下面出现了管道的直接断裂。

图3 现场压力表布置图

往复泵出口管道压力脉动，会作用在支管上，同时分支处流体剥离，形成了湍流，湍流也会对支管内的流体产生周期性挤压，而引起支管振动。由于支管没有任何约束和限制或者说支架/管夹没有支撑连接末端的自由质量体，振动传输到压力表附近时，振幅增大，经过一段时间的运行，出现疲劳，管道断裂。

分析问题后，现场采取了仪表管和主管上同时放置管夹，并用角钢将两者连接，同时避免角钢支撑在一个平面内，起到了一定的支撑限制作用。如图4所示。增加支撑后，现场还未出现支管末端断裂的情况。

1.3 振动

振动出现在往复泵进出口管上。往复泵管道的振动受多方面因素影响。

1.3.1 往复泵机组本身振动引起的管道振动

导致往复泵机组振动的原因很多[1]，总体可以分为三类：①往复泵机组的制造精度和安装质量没有达到要求，即往复泵机组本身的动平衡性能差、安装不对中等；②结构设计存在一定缺陷，惯性力、惯性力矩平衡不够，机组构件刚度不够等；③往复泵基础刚度不够。这种振动可以直接或者通过基础传递到管道上，造成管道局部应力集中，严重时出现疲劳裂纹，而影响装置的正常运行。

设计阶段选择合适的往复泵，指定有经验的厂家，保证往复泵的质量；对其基础，宜采用环氧树脂二次灌浆。环氧树脂可以很好的改善往复泵基础的减振性能。

现场进出口管道的首个支撑坐落在泵基础上。考虑到可能由于泵引起基础振动，从而有支撑传递到管道上。首先将支撑移动地面上，避免与泵基础联合支撑。现场效果有限，认为不是泵本身的振动而带动管道振动。

1.3.2 压力脉动引起管道振动

由于往复泵结构和工作特点，导致其入口和出口管道内的液体呈现脉动状态，使管路中的流体参数(如压力、流量、速度等)随着活塞位置及时间做周期性的变化，管内压力在平均值上下脉动，产生了压力脉动。在管道中流速和方向突变处，如弯头、变径或控制阀等处，压力脉动会产生相应的随时间变化的激振力，管道变化产生一定的机械振动响应。压力脉动越强，管道振动越厉害。

1.3.2.1 激振力计算

压力脉动的大小可用压力不均匀度δ表示[2]：

(1)

式中：Pmax——最大压力

Pmin——最小压力

压力脉动ΔP是指偏离平均压力的最大幅度：

(2)

压力脉动大小可由下式计算[3]：

ΔP=ρ*C*Δv

式中：ρ——水的密度

Δv——流体速度的变化量

(3)

E——水的弹性系数，N/m2

E0——钢管弹性系数，N/m2

d——钢管内径，m

e——钢管壁厚，m

δQ1和δQ2——流量不均匀系数

Qmax——最大流量, m3/s

Qmin——最小流量, m3/s

Qm——平均流量，m3/s

如图5所示作用在弯头上的激振力。

(4)

式中：ΔR——激振力，N

di——管道内径，m

S——管道流通面积，m2

ΔP为压力脉动，Pa

图5 弯管处的激振力

图6 异径管上激振力

图6中1-1截面流通面积为A1，向右推力为PmA1,2-2流通面积为A2,向左推力为PmA2,两者合力R为流体作用在异径管上的作用力力，R=PmA1-PmA2=Pm(A1-A2)

当流体存在压力脉动时，与弯管类似，作用在异径管上的激振力为：

现场进出口管道上弯头较多，支撑偏少，还采用了直接接触的U型螺栓支撑。后期增加支撑的数目，采用防震管夹，起到一定的限制作用，但效果不太理想。进而怀疑是泵内部流体脉动引起的。在泵进出口附近增加了小容量预压式缓冲罐，起到一定的防震效果。为确保管系稳定，又增大了缓冲罐的容积，整个管系防震效果良好。

1.3.2.2 预压缓冲罐容积估算[4-5]

现场采用了预压缓冲罐。隔膜式预压缓冲罐有3部分组成，分别为充气胶囊、器体和连接结构，其中充气胶囊是主要的工作部分。其工作原理是利用气体的可压缩性，将液体能量蓄积，在液流低峰时释放，起到蓄能、稳压、补偿、缓冲和消除脉冲的目的。

预压缓冲罐容积的计算方法可以参考下式：

(5)

式中：V0——所需预压缓冲罐的容积，m3

K——缓冲罐系数，预压式取1

Pkm——泵运转时，缓冲罐内惰性气体平均压力，取管道操作压力

β——剩余流量系数

Vs——活塞的行程容积，m3

Pk——缓冲罐内系统充气压力，按泵压力的60%考虑

Ph——管路压力损失之和，按系统管道压力估算

δ——管路中允许的流量不均匀度，可根据使用要求选定

1.3.3 共振引起的管道振动

在研究和分析往复泵管道系统振动时，系统中存在着三个固有频率和两个振动系统。液柱本身具有的液柱固有频率、管道及组件构成结构本身的管系机械固有频率和往复泵中活塞往复运动频率为激发频率。管内液体形成的液柱系统和管道结构的机械系统，这两个振动系统均由压力脉动激发而产生。工程上通常以0.8～1.2倍的固有频率范围作为共振区。当三个固有频率或者其中两个落在共振区时，系统会产生共振，表现为耦合振动。振动的叠加必然会产生该阶频率的共振，使管系产生较大的位移和应力，甚至导致管道破坏。

1.3.3.1 液柱固有频率计算

①管道一段封闭(往复泵端)，另一端为开口(如连接缓冲罐)。

(6)

式中：i——液柱固有频率的阶次

当i=1时，计算的频率称为基频；当i=3时，计算的频率为第二阶固有频率，其它类推

a——液体的声速，m/s

l——管道长度，m

②两端均为开口的管道(如两个大容器之间的管道连接)

液柱的固有频率取决于管系的配管方式、长度、管径、容器容积的大小和配置位置以及液体的种类和温度等，改变管道和容积的尺寸以及配置方式，可改变管系的液柱固有频率。

1.3.3.2 管系机械固有频率[6]

①无集中荷载时，悬臂梁或简支梁的固有频率δ：

(7)

式中E——弹性模数，kg/cm2；W——管子总重量(包括保温、液重)，kg；l——管架间距，cm；α的取值可根据边界约束的不同，查表格选取；

②有集中荷载时，其固有频率δ：

(8)

式中：P——集中荷载，N

ε和α——梁的形式和集中荷载的位置查表选取

1.3.3.3 激发频率

往复运动激振频率计算公式为：

(9)

式中：n——缸体数，n=1,2,3

N——转速，r/min

P——作用数

现场运行阶段，当泵出口压力达到某一特定值时，出口管系振动厉害。怀疑产生了共振，在后期运行中，中控室会刻意避开这一压力值，确保现场稳定。

2 设计注意事项

在今后的往复泵管道设计时，关注一些下面几项：

2.1 进出口设置预压缓冲罐

首先要考虑缓冲罐的加入，预先减缓往复泵产生的脉动流量和脉动压力。

2.2 合理设置支撑

采用管夹与管道之间衬以软木或橡胶垫，使其具有一定的弹性，吸收管线的振动；或者直接采用防振管夹，能有效地防止因振动而引起的管道疲劳失效[7]。面接触的管夹，增加了管道支撑刚度，提高了管道自身的固有频率。小分支管上增加支撑，并将其依附在主管上，避免与其他的管道设备或其他附件结构相连接支撑。主管竖向分支管时，避免三通与阀门直接连接，应采用直管段加阀门，在直管段上增加角撑板，将阀门重量转移到主管上，并在主管的三通两侧增加支撑，避免阀门重量直接作用的三通的分支上，使焊缝破裂。对于常温管道，适当增加支撑，使支撑跨距是标准跨距的1/2。