卧式离心泵管口荷载整机校核

袁伊汝

(华陆工程科技有限责任公司,陕西西安 710065)

1 泵的分类

目前化工装置中用到的泵的种类很多，根据泵的工作原理和结构，其分类如下：

文章讨论的泵的类型是卧式离心泵，探讨的重点是卧式离心泵的管口荷载在超过允许值但没有超过允许值两倍的情况下，如何进行整机校核，如何判断管口荷载是否通过。

2 理论介绍

离心泵管口允许的作用力和力矩值通常由制造厂提出，对于制造厂未提出受力要求的离心泵，如果厂家确认泵是按照API610标准设计的，可以按照API610标准进行管口荷载校核[1]，泵口允许承载数值见表1。

API610中对于卧式泵的校核规定如下[2]：

(1)当单个管口各分力和分力矩不大于表1中的数值时，表示受力合格，不需要进一步校核。

(2)当单个管口各分力和分力矩超出表1中的数值，但不大于其2倍，并且满足下列两个条件时，也认为泵受力满足要求，即进行整机校核；

①作用在泵的单个管口的合力及合力矩满足：

式中：FRSa—— 吸入口所受的合力，N；FRDa—— 排出口所受的合力，N；MRSa——吸入口所受的合力矩，N·m；MRDa——排出口所受的合力矩，N·m；FRSt4——表1规定吸入口允许合力值，N；FRDt4——表1规定排出口允许合力值，N；MRSt4—— 表1规定吸入口允许合力矩值，N·m；MRDt4——表1规定排出口允许合力矩值，N·m。

②作用在泵的单个管口上的分力和分力矩平移到泵的中心，泵所受的总体合力及合力矩满足：

FRCa<1.5(FRSt4+FRDt4)

|MYCa|<2.0(MYSt4+MYDt4)

MYCa<1.5(MRSt4+MRDt4)

式中：FRCa——吸入和排出口上作用力的合力，N；MRCa——吸入和排出口上力与力矩合成到泵中心的合力矩，N·m；MYCa——吸入和排出口上力与力矩合成到泵中心的Y方向合力矩，N·m；MYSt4——表1规定的吸入口Y方向的允许合力矩值，N·m；MYDt4——表1规定的排出口Y方向的允许合力矩值，N·m。

表1 泵口允许承载数值Tab.1 Allowable load value of pump nozzle

注：表中数值表示绝对值。

在②中提到的泵中心及泵的坐标见图1和图2，泵中心由泵轴中心线与通过两个支撑壁中心的垂直平面的交点确定。

3 工程实例

某项目中的除氧水泵，该泵属于顶部吸入和顶部排出的卧式泵，如图1。泵的进口管径为DN250，出口管径为DN200，设计和操作参数为：设计压力 0.4 MPa，设计温度140 ℃，操作压力0.3 MPa，操作温度109 ℃。除氧水泵为一开一备，工况较多，文中只讨论A泵开B泵关的工况。泵的吸入口和排出口的位置坐标见表2，坐标系参见图1，该坐标系与CAESARⅡ软件中的坐标系不一致。

图1 顶部吸入和顶部排出的卧式泵Fig.1 Horizontal pump with top suction and top discharge

图2 轴向吸入和顶部排出的卧式泵Fig.2 Horizontal pump with axial suction and top discharge

泵口管径/mmX/mmY/mmZ/mm吸入口250-5250550排出口20000745

3.1 除氧水泵吸入口荷载分析

初版除氧水泵的吸入口应力模型如图3。

图3 A泵开B泵关Fig.3 Pump A opening; Pump B closing

CAESARⅡ软件计算的图3模型中A泵的吸入口荷载见表3。

表3 A泵的吸入口荷载Tab.3 Intake load of Pump A

查表1可得DN250管口的允许荷载为FXSt4=5 340 N,FYSt4=4 450 N,FZSt4=6 670 N,MXSt4=5 020 N·m,MYSt4=2 440 N·m,MZSt4=3 800 N·m。与表3中的值对比可知，泵口操作工况荷载不满足API610中(1)的规定，可按(2)进一步校核。

对于A泵的吸入口：

超过2倍，不满足(2)的要求，可得出A泵的吸入口荷载不满足要求。调整管道支架已经不能降低管口荷载，所以，只能通过修改管道走向来降低泵口荷载。通过研究决定将主管上A泵支管的接口位置移动4.5 m，增加Z方向的尺寸，改变管系的柔性，降低泵口荷载。

3.2 修改后的除氧水泵吸入口应力模型(见图4)

图4 A泵开B泵关Fig.4 Pump A opening; Pump B closing

CAESARⅡ软件计算图4模型中A泵的吸入口荷载见表4。

表4 A泵的吸入口荷载Tab.4 Intake load of Pump A

表4中的数值与表1中的允许值对比可知，A泵的吸入口操作和安装工况荷载均满足要求。

3.3 除氧水泵的排出口荷载分析，应力模型(见图5)

图5 A泵开B泵关Fig.5 Pump A opening; Pump B closing

CAESARⅡ软件计算的图5模型中A泵的排出口荷载见表5。

表5 A泵的排出口荷载Tab.5 Intake load of Pump A

查表1可得DN200管口的允许荷载为FXSt4=3 780 N,FYSt4=3 110 N,FZSt4=4 890 N,MXSt4=3 530 N·m,MYSt4=1 760 N·m,MZSt4=2 580 N·m。与表5中的数值对比可以得出A泵的排出口安装工况下所有荷载满足要求，在操作工况下Fx、Fy和Mx不能满足(1)的规定，需要按(2)进一步校核。

对于A泵的排出口：

同时其他方向上的力和力矩都小于允许值。

除了加快立法，我国还要构建国家网络安全防护体系。有西方分析家指出，中国的水电站大坝、石油天然气管道和其他一些计算机控制的公共基础设施易受到攻击。

3.4 整机校核

由3.2和3.3泵吸入和排出口的具体荷载可知，安装工况的泵口荷载满足表1的要求，不需要进一步校核。

操作工况下吸入口的荷载满足表1的要求，排出口部分荷载超出表1中的数值，但均不大于其2倍[3]，因此需要按照②进一步校核，即进行整体校核来判断泵口操作荷载是否可以接受。

3.4.1 校核单个管口的合力和合力矩

(2)中式①满足，该条件校核通过。

3.4.2 校核总体合力与合力矩

吸入和排出口上作用力的合力

1.5(FRSt4+FRDt4)=1.5(9 630+6 920)=24 825 N

吸入和排出口上力与力矩合成到泵中心的Y方向合力矩，泵中心按图1来取，力矩的方向按右手定则

=207+1 507+(-4 357)×0.55+(-5 827)×0.745-(-3 913)×(-0.525)-(-4 231)×0=7078 N·m

2.0(MYSt4+MYDt4)=2.0(2 440+1 760)=8 400 N·m

式|MYCa|<2.0(MYSt4+MYDt4)，满足。

吸入和排出口上力与力矩合成到泵中心的合力矩，泵中心按图1来取，力矩的方向按右手定则

=-36-3 600-(-1 439)×0.55-4 529×0.745+(-3 913)×0-(-4 231)×0

=-6218.6 N·m

=2 043+1 428-(-4 357)×0-(-5 827)×0+(-1 439)×(-0.525)+4 529×0

=4 226.5 N·m

=10 326 N·m

1.5(MRSt4+MRDt4)=1.5(6 750+4 710)

=17 190 N·m

式MRCa<1.5(MRSt4+MRDt4)，满足。

通过整机校核的方法可判定泵口荷载在操作工况下可以接受。

由3.1～3.4可以得出泵的操作工况和安装工况荷载均可满足要求。

通过CAESARⅡ软件中自带的API610模块来计算，对比结果一致。

4 结论

泵在化工装置中是很重要的设备，泵能否正常运行关系到整个装置的运行状况，应认真分析泵口荷载的计算结果，仔细研究泵的图纸及厂家的要求。当出现泵口荷载超过允许值时，灵活运用标准规范，判断是否满足整机校核的条件，如果满足则通过整机校核来确定泵口荷载是否在可以接受的范围内。通过研究分析，合理设计，改变对泵口荷载校核的认识，提高管道应力分析的水平。