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如何合理设计离心泵吸入口管道?
来源:未知 作者:zsby 人气: 发布时间:2022-02-14

 

  相信很多离心泵制造商都遇到过这种情况:工况相同或相似,同一规格型号的泵运行一直良好,性能、振动和噪音也很正常,但却在极个别项目中出现了严重的问题:泵不仅出力不足,而且振动、噪音严重超标。原因何在?
一台离心泵要想在(系统)流程中发挥出其最佳状态,除了本身的设计制造品质以外,还与外部条件因素密切相关。这里的外部条件因素主要包括:基础设计及施工、接管载荷及热膨胀值、泵进/出口管道的布置及支撑、吸入口管道的设计及直管段长度等。其中,最常见的对离心泵性能会产生不利影响的主要因素为吸入口管道的设计及直管段的长度。吸入管道的正确设计是决定输送到泵的液体均匀性的关键。不稳定的液流会导致泵性能的下降,并可能由于振动和汽蚀而缩短泵的使用寿命。
在工作过程中,经常会遇见买方/用户询问这样的问题:离心泵入口管道布置有无直管段长度要求?如果有,则有何依据?是否包含过渡段长度?
现根据国内外不同手册/标准/规范中提供的成熟的工程实践、部分结合作者实际工作应用经验,就如何合理设计离心泵吸入口管道给出总结及建议,希望有助于避免工程应用中因吸入口设计不合理而造成泵组不正常的运行。
1    不同手册/标准/规范对离心泵吸入管道设计要求
在很多工程应用中,管道系统的设计和安装往往并不受到人们的重视,但必须遵循一些基本的工程实践经验。不合理的入口管道的设计和布置,可能会带来一系列的问题:
1)泵出力不足(流量减少、扬程和效率下降)。
2)运行期间噪音较大。
3)泵组振动超标。
4)轴承和机械密封过早失效。
5)泵其它零件过早磨损和失效,如耐磨环。
6)叶轮和泵壳发生汽蚀损害。
7)接口法兰处发生泄漏。
除直管段长度的要求没有统一标准以外,对于离心泵入口管道的设计,不同手册/标准/规范的要求大同小异。
《石油化工装置工艺管道安装设计手册》[1] 规定:
1)管道(布置)应尽量“步步高”或“步步低”不出现或少出现气袋和液袋,尽量避免死区。
2)对输送含有固体颗粒的管道,为避免颗粒沉降堵塞管道,泵的分支管可采用大坡度或45°角连接。
3)对于侧向吸入的泵,当液体进入泵管嘴时,如有偏流、涡流,则会破坏液体在叶轮内的流动平衡,影响泵的扬程和轴功率,同时由于液体进入叶轮的角度与设计要求不同,会出现气阻,造成振动和噪声,因而使泵的性能变劣、寿命缩短。为防止这种现象的发生,侧面吸入的离心泵入口和第1个管件之间要有一段长度大于3倍管径的直管段,然后才能连接弯头。
4)对于双吸离心泵,为使泵轴两侧推力相等、叶轮平衡,吸入管道应有一段直管段。当吸入管道与泵轴平行,在同一平面与泵连接时,泵吸入口法兰前方应有7DN以上的直管段,以防止由弯头引起介质偏流,从而降低泵效率和损伤叶轮;当吸入管道与泵轴成直角和泵吸入嘴相接时,直管段可包括弯头(半径),也可把大小头(过渡段)和切断阀视作直管。若安装直管段确有困难时,应在泵管嘴附近安装整流管或加导流板以防止偏流和涡流。
中国石化工程建设公司《泵配管设计规定  SEPD 0111-2001》和北京华福工程有限公司《泵配管设计规定  EM-PDW0111-2003》要求:
1)泵吸入管道在满足热应力的前提下应尽量短、少拐弯(工程塑料类离心泵一般不超过3米,弯头不要超过2个,金属泵可适当加大),在任何情况下入口管道不允许有“气袋”。
2)双吸入泵的吸入口应设一段不小于3倍管径长的直管段,对大型泵应有7倍管径以上的直管段,以使液体平稳入泵,避免产生偏流和旋转流,引起泵振动和产生噪音。
3)当双吸入泵的配管为上吸入时,不必考虑吸入口上所要求的直管段。垂直管道可以通过弯头和异径管与吸入管口直接相连……
国标GB50275-2010《压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范》规定:
1)吸入管路的直径不应小于泵的入口直径。
2)当采用变径管时,变径管的长度不应小于管径差的5倍~7倍。
3)吸入管道的安装不得有空气团存在。
4)泵入口前的直管段长度不应小于入口直径的3倍。
API RP 686标准《机械设备安装和安装设计实践指南》[2] 规定:
泵入口管道在进口法兰与第一只弯管、三通、阀门、减压器、永久性过滤器或其它足以影响入口介质流态稳定的设备之间应有一直管段,典型的直管段长度为5倍管径。
在法国TECHNIP集团公司管道设计规定中要求:
对于“侧进侧出”形式的双吸泵,当吸入侧的第一个弯头是水平安装时,在泵的吸入端和第一个弯头之间应有至少5倍管径的直管段。反之当吸入侧的第一个弯头是垂直安装时,泵的吸入端的直管段可以忽略。川崎的管道设计规定中则要求单吸泵入口前的直管段长度不应小于入口直径3倍;双吸泵入口前的直管段长度不应小于入口直径的5倍。直管段是指离开大小头(过渡段)的距离,临时过滤器包括在这个直管段中 [3]。
对于双吸离心泵,瑞士SULZER泵公司,要求至少7位管径以上的直管段 [4]。
2    入口必须有足够长的直管段
从上述手册/标准/规范中可以看出,除了配管为上吸入结构以外,其余型式的吸入结构泵入口直管段长度最好为5倍~7倍入口直径。但是,实际工程应用中,由于受现场空间或投资成本的限制无法满足上述要求。为此,给出推荐的最小直管段长度为入口直径的3倍,并且直管段不包含过渡段长度。
3    避免入口液流出现不稳定状态
紊流和涡流是泵(特别是湿坑式泵)吸入口最常见的不利于泵组安全、稳定运行的一种流态,涡流包括自由表面涡流和液面以下涡流。
不稳定的入口液流会给泵带来如下不利影响:
1)流量、扬程特性的变化,并对泵的效率产生伤害。
2)当涡流通过叶轮叶片时,会激发振动。
3)叶轮径向力会增加。
4)诱导汽蚀。
防止出现带有空气的自由表面涡流的措施 [5]:
1)改善流动状态,以避免流体出现旋转或速度梯度增大(适当的管口宽度与深度相结合,将最大入口流速限制在0.5 m/s,又窄又长的流道,足以将液流均匀地引向泵[6])。
2)提高淹没深度。
3)通过生铁块来达到防止出现空气涡流的吸入水位。
4)在防止空气涡流产生的水位区域内安装防止涡流产生的导流片。
提高淹没深度,可以避免入口液流产生涡流,ANSI/HI 9.8对此进行了相应定义。为了防止产生强烈的涡流而需要的最小淹没深度S,部分是基于无量纲流动参数,即弗劳德数,定义为:
     
其中,FD = 弗劳德数,无量纲;
V = 基于D的吸入口流速 = 流量/面积;
D = 进水喇叭或管子入口外径;
g = 重力加速度
V、D和g必须使用一致的单位,以便FD为无量纲。最小淹没S应根据(Hecker, G.E., 1987):
   
这里,S的单位与D的单位一样。
以泵进水喇叭直径D的倍数来确定液槽(sump)的尺寸是合适的。基于“D”的尺寸确定了液压边界的几何相似性和流动模式的动态相似性。不同的泵型和制造商,喇叭口处的流速有一些变化。
防止出现水下涡流的措施 [5]:
1)改善流动状态,以避免流体出现旋转或速度梯度增大。
2)使用带导流片的导水锥。
3)通过肋筋或类似管件对近管壁处的流体流动施加影响。
如果多台泵安装在一个单一的吸入结构中,那么在每台泵之间设置一分隔墙会产生比开放式水池中更好的流动条件。如果不使用分隔墙,则会出现不利的流动模式。对于设计流量大于315 l/s 的泵,需要在泵之间设置分隔墙。对于设计流量小于等于315 l/s 的泵,泵之间不需要分隔墙,最小泵间距应为2D [6]。
德国KSB公司所生产的大型立式循环水泵,一直以高效、可靠(振动小)而著称,在全球得到了广泛的应用,然而,在国内某泵站实际应用过程中却发生了振动严重超标的情况。经专家组综合评估,泵站进水池设计存在问题,导致出现大尺度涡街,引起压力脉动,激发振动、诱导汽蚀。后来对进水池进行了“控涡技术(进水池组合式变高度导流墩+ 泵吸入口下部X型除涡板)”改造,泵运转恢复正常。
4    管道布置时避免出现气囊
气囊的存在,不仅可能直接影响到泵的性能(出力不足,甚至不出液),而且还可能会引起气蚀。为了避免管道布置时出现气囊,GB50275-2010 《风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范》对泵的吸入管道的安装,给出了参考示例,见图1。

示例说明:
1. 空气团(气囊)
2. 向泵方向下降
3. 同心变径管
4. 向泵方向上升
5. 偏心变径管
5    含固体的液体吸入口结构的设计 [6]
对于许多常见的含固体的液体,需要约1.0 m/s以上的流速来防止水平管道中的沉降;低于0.6 m/s的流速通常对于有机固体是足够的。
距离泵(入口法兰至少)5倍吸入管径内不应有干扰流量的配件(如部分打开的阀门、三通、短半径弯头等),完全打开的、无流量干扰的阀门、叶片式弯头、长半径弯头和异径管不被视为流量干扰配件(参见图2和图3)。
 

吸入管尺寸通常比泵上的入口管径大。在这种情况下,安装一只同心或偏心的异径管来适应管道尺寸的差异。对于水平吸入管道,偏心异径管的平直侧应位于顶部。对于泵附近没有弯曲的垂直管道,推荐使用同心异径管。
当弯头与叶轮轴处于同一个平面时,推荐的双吸泵吸入管道直管段长度。详见图4。

6    无限制吸入口的应用经验 [6]
对于无限制吸入口的应用经验,ANSI/HI 9.8中给出了明确的建议。无限制吸入口包括安装在平台或其它结构上的泵,这些吸入口缺少导向壁、集水槽壁或其它流动导向结构。典型的安装包括河流、运河或沟渠的入口以及湖泊的入口和位于海水系统平台上的泵。
带有无限制吸入口的泵通常位于发生单向错流的地方,或者在潮汐变化可能导致泵进水喇叭周围出现高度复杂的流体状态的平台上。从障碍物到泵吸入口任何可能导致尾流效应的推荐的最小距离是障碍物的最大横截面尺寸的5倍。
如果碎屑或底部沉积物没有问题,入口喇叭应位于底部以上0.3D到0.5D处,以尽量减少水下涡流。对于底部碎屑悬浮物可能成为问题的应用,建议使用5D的最小间隙。
对于安装在沿海平台上的泵,由于波浪的作用,风暴期间沙子的悬浮是不可避免的。在某些情况下,在吸入口周围放置一层防护石可以有效地减少沉积物的悬浮。由于正确的防护设计需要专门的技术,这种防护层的设计应该在具有输沙和抛石设计经验的工程师的协助下进行。
对于无限制吸入口,碎屑是特别需要关注的。可以通过连接在泵入口喇叭上的滤网来适应轻载碎屑;而对于重载碎屑来说,需要特殊的设计考虑。
7    总结及建议
1)吸入管路的直径通常大于泵的入口直径,严禁出现缩径。
2)当配管为端吸或侧面吸入时,吸入口推荐的最小直管段长度为入口直径的3倍,并且直管段不包含过渡段长度。对于大型双吸入泵应有更大倍数管径的直管段,如5倍~7倍。
3)当配管为上吸入(包括双吸入泵)时,可以不必考虑吸入口上所要求的直管段。
4)为了避免出现自由表面涡流和液面以下涡流,应采取适当的预防措施。
5)吸入口结构应避免产生不对称流动模式的交叉流。对于设计流量大于315 l/s 的多台泵安装在一个单一的吸入结构中,需要在泵之间设置分隔墙。
6)泵吸入管道在满足热应力的前提下应尽量短、少拐弯,在任何情况下,入口管道不允许有气囊存在。
7)对于含固体的液体,需要约1.0 m/s 以上的流速来防止水平管道中的沉降;低于0.6 m/s 的流速通常对于有机固体是足够的。
8)对于无限制吸入口,不同工况入口喇叭与底部之间的间隙不同,底部设计也不尽相同。
宙斯泵业UHB-ZK系列耐腐泵在云南某公司使用现场——正确的入口管安装图例
8   参考文献
[1] 张德姜等,石油化工装置工艺管道安装设计手册 第1篇 设计与计算(第五版),中国石化出版社,2014年1月
[2] API RP 686, Recommended Practices for Machinery Installation and Installation Design, Chapter 6 - Piping, SECOND EDITION, December 2009
[3] 易志丹,泵吸入管路上直管段的设置分析,化工设备与管道,第46卷第1期,2009年2月
[4] Sulzer Pumps Ltd, Centrifugal Pump Handbook, Third edition, 2010
[5] Heinz Hellmann, 离心泵大全,清华大学出版社,2013
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