202 泵入口管道设计探讨

泵入口管道设计探讨摘 要 介绍了泵入口管道设计的原则。以西太平洋石化汽油催化加氢装置热高分泵入口管线为例，利用CASII软件来分析不同管系的泵管嘴的受力，着重介绍了热高分泵入口管道的布置问题。通过优化配管形式、设置支吊架等来满足泵管嘴受力的要求。通过本文的工作，希望能对热高分泵的配管设计工作提供一定参考。关键词 热高分泵，入口管道，支吊架，管嘴受力化工生产中原料、产品、回流、中间产品、溶剂等液体物料的输送或增压，都要靠泵来完成，因此泵在化工生产中占有重要地位。随着炼油工业的发展，炼油装置趋于大型化，泵的进出口管道直径也随之变大，管系刚度增大，柔性降低。制造厂对泵的进出口管嘴受力和力矩都有严格的要求，这就要求泵的进出口管道具有相当的柔性，尤其是泵进口管线的设计对整个泵的平稳运行起关键作用，对管道的柔性要求更高。对于泵的配管而言，设计人员即需要具备泵配管的基本知识，又必须具备有一定的管道应力分析方面知识，才能在设计过程中，布置出既满足工艺流程，又经济、安全、合理、美观的方案。1 泵入口管道的设计特点及注意事项1.1 泵的汽蚀余量泵的入口管道设计，首先要避免气蚀的发生，一般应保证泵吸入管侧的有效气蚀余量，至少是泵必须气蚀余量的1.3倍。产生气蚀现象一般有三个因素:(1) 吸入管系统中途有气体集聚，如管道中有气袋，出现 “U”形结构。(2) 泵入口水平变径管的设计不当。(3) 吸入管的压力损失太大，导致不能满足最小气蚀余量的要求。前两个因素是直观的，设计时容易引起重视，而第三个因素需经详细的水力学计算，要防止气蚀现象的发生，必须保证泵的吸入管路有足够的气蚀余量1。1.2 泵入口大小头的设置当泵入口管系统有变径管时，要采用偏心大小头以防止变径处气体积聚。大小头有偏心大小头和同心大小头之分，一般垂直管道宜用同心大小头，而在水平管道上宜用偏心大小头，否则会出现“气袋”2，导致离心泵抽空。1.3 过滤器的设置为了防止焊渣等损坏泵的叶轮，在紧靠泵吸入管道切断阀的下游，应设置临时或永久性过滤器，主要有角式T形过滤器、直通式T形过滤器、Y形过滤器、锥形过滤器和篮式过滤器，安装过滤器时应考虑清洗时取出金属网所需的空间。1.4 泵入口切断阀的设置泵入口切断阀一般用闸阀或其它阻力较小的阀门，其阀门直径可比管线直径小，但不得小于泵入口管嘴直径。当阀门高度在1.82.3 m时，应设置移动式操作平台；当阀门高度超过2.3 m时，宜设置固定式操作平台，也可采用链轮操作，但阀门的位置不允许链条接触泵及电动机的转轴，以防止产生火花，引起爆炸或火灾事故3。1.5 泵入口管道的应力分析当管道工作温度超过 150时，管道材料的热胀冷缩会在管道中以及管道与管端设备的连接处产生力和力矩，即管道的热载荷3。热载荷过大会引起管道热应力增加，轻则造成法兰泄露，重则造成管道焊缝或管端设备破裂。因此对泵的管道进行柔性设计就非常重要，柔性设计的任务是通过管道几何形状的变化使其具有足够的柔性，管道柔性设计合格与否要通过管道的应力分析和作用力验算来确定。主要包括三个方面的内容：(1)管道在内压和持续外载作用下产生的一次应力，应不大于管道材料的许用应力。(2)管道在热涨、冷缩和位移受约束产生的二次应力，应不大于管道材料的热膨胀许用应力范围。(3)对于连接到转动机器如泵等的进口嘴子上的管道，其对于转动机器进出口嘴子的推力和力矩，应不大于制造厂提出的允许规定值，如果泵厂家未提供该方面的数据时，其嘴子受力应满足API610的规定，一般按不大于2倍API610标准来校核4。2 热高分泵入口管道设计大连西太平洋石油化工有限公司120万吨/年催化汽油加氢装置中第一热高分泵为两台，一开一备，位号：P18003AB。泵长为4.3米，宽为1.5米，泵入口管嘴为DN200。由于温度、压力较高，所以在配管过程中难度较大。通过比较，我们最后选取了文中所列的两种方案对泵入口管道进行分析。泵P18003AB入口管道设计条件及受力标准分别如表1和表2所示：表 1泵入口管道设计条件(入口管径 DN300，材质：20#)工况压力/Mpa温度/状态密度介质名称操作条件3.15222L594.9汽油设计条件2.58202L594.9汽油表 2 泵厂家资料中泵入口受力标准(DN200)NFXFYFZMXMYMZ622097807560352051607060注: FX，FY，FZX，Y，Z 方向的受力，N；MX，MY，MZX，Y，Z 方向的力矩，Nm。在设计第一种方案时，考虑到泵入口管道的设计应具有一定的柔性，依靠管道柔性吸收管系的热胀量。因此，从分馏塔到泵入口段设置了一个小“”补偿。为了减少管道对泵管嘴的推力和力矩，在泵嘴直管段处设置了限位支架。同时，设计时应使入口管道最短，以满足整个管系稳定性和经济合理性的要求。通过计算发现，当泵集合管水平段设置刚性支架时，由于管道的热胀，刚性支架点脱空。为了缓解热态时管道热应力和对固定点(或设备)的推力及力矩，设置了弹簧支架。P-18003AP-18003B图 1 方案一泵入口管道配管及应力计算三维图用 CAESARII 对管道进行应力计算，泵嘴受力结果如表3：表 3 方案一P18003AB 入口管道部分点受力结果10 Rigid ANC序号运行工况FXFYFZMXMYMZ1OPE-8748-1891-15471-3163383930072OPE-8519-14005-22104-3111754929291200 Rigid ANC序号运行工况FXFYFZMXMYMZ1OPE -924 -13606 -11559 -3973 -262 -26132OPE -4575 -5441 -27570 -9477 -514 1267注: 工况1为A泵开，B泵关；工况2为A泵关，B泵开。从计算结果可以看出，虽然在泵入口管段处设置了弹簧支架和限位支架，但是仍然不能缓解管道热胀时，在泵嘴处产生较大的推力，FZ值较大。方案二在泵的入口分支管段增加了弯头和直管段，通过管道的自然补偿来减少管系热胀对泵嘴的作用力。保留泵嘴直管段处的限位支架。P-18003AP-18003B图 2 方案二泵入口管道配管及应力计算三维图用 CAESARII 对管道进行应力计算，泵嘴受力结果如表4：表 4 方案二P18003AB 入口管道部分点受力结果10 Rigid ANC序号运行工况FXFYFZMXMYMZ1OPE -3023 992 253 -239 3337 10392OPE -6132 -8832 -2194 -3474 1866 26241200 Rigid ANC序号运行工况FXFYFZMXMYMZ1OPE -3675 -9703 -4108 -1412 -2920 -2702OPE 264 467 -2696 -927 -2828 -189受力分析结果显示：调整后的管系柔性良好，泵嘴10点和1200点受力均满足了泵厂家的要求，为整个管系和装置的安全性提供了有力的保障。在泵入口管系柔性设计中，还应特别注意此管系的稳定性。在能满足泵嘴受力的前提下，应尽量使管系有足够的刚性，防止管系在正常运行中出现大的不规则位移5。入口总管宜设刚性支架，尽量少用弹簧。刚性支承最稳定，只要生根结构具有足够刚性，管道在该刚性支撑点受到摩擦力的作用，一般情况下，就较难发生摆动。因此，取消了弹簧支架的设置。3 结论通过上述分析，对于第一热高分泵的管道设计及应力分析，可得出如下结论:(1) 泵进口管道布置要首先考虑自然补偿来降低管系热胀对嘴子施加的力和力矩。对于一开一备泵的管系来说，在各分支管道增加有效管长可以很好的缓解冷态泵和热态泵管道的互相牵制。(2) 要根据应力计算结果合理选择刚性支吊架和弹簧支吊架。当管道热胀，刚性支架点脱空时，可以考虑使用弹簧支吊架，以缓解热态时管道热应力和对固定点(或设备)的推力及力矩。但是弹簧支吊架不易设置过多，否则容易造成管系不稳，要与刚性支吊架合理搭配设置。为了使管系更加稳定，在能满足泵嘴受力的前提下，首选刚性支承。(3) 为减少管道对泵出入口嘴子的力矩，应在与管嘴直接相连的直管上或靠近管嘴的与其垂直的管道上设置导向支架，只允许管道沿管嘴方向位移，以防止与管嘴垂直方向上的位移造成力矩。参考文献1 袁忠泽. 塔底