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      如何合理設計離心泵吸入口管道?
      標簽: 離心泵
      2022-10-26  閱讀

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        【康沃真空網】相信很多離心制造商都遇到過這種情況:工況相同或相似,同一規格型號的泵運行一直良好,性能、振動和噪音也很正常,但卻在極個別項目中出現了嚴重的問題:泵不僅出力不足,而且振動、噪音嚴重超標。原因何在?

        一臺離心泵要想在(系統)流程中發揮出其最佳狀態,除了本身的設計制造品質以外,還與外部條件因素密切相關。這里的外部條件因素主要包括:基礎設計及施工、接管載荷及熱膨脹值、泵進/出口管道的布置及支撐、吸入口管道的設計及直管段長度等。其中,最常見的對離心泵性能會產生不利影響的主要因素為吸入口管道的設計及直管段的長度。吸入管道的正確設計是決定輸送到泵的液體均勻性的關鍵。不穩定的液流會導致泵性能的下降,并可能由于振動和汽蝕而縮短泵的使用壽命。

        在工作過程中,經常會遇見買方/用戶詢問這樣的問題:離心泵入口管道布置有無直管段長度要求?如果有,則有何依據?是否包含過渡段長度?

        現根據國內外不同手冊/標準/規范中提供的成熟的工程實踐、部分結合作者實際工作應用經驗,就如何合理設計離心泵吸入口管道給出總結及建議,希望有助于避免工程應用中因吸入口設計不合理而造成泵組不正常的運行。

        1、不同手冊/標準/規范對離心泵吸入管道設計要求

        在很多工程應用中,管道系統的設計和安裝往往并不受到人們的重視,但必須遵循一些基本的工程實踐經驗。不合理的入口管道的設計和布置,可能會帶來一系列的問題:

        1)泵出力不足(流量減少、揚程和效率下降)。

        2)運行期間噪音較大。

        3)泵組振動超標。

        4)軸承和機械密封過早失效。

        5)泵其它零件過早磨損和失效,如耐磨環。

        6)葉輪和泵殼發生汽蝕損害。

        7)接口法蘭處發生泄漏。

        除直管段長度的要求沒有統一標準以外,對于離心泵入口管道的設計,不同手冊/標準/規范的要求大同小異。

        《石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊》[1] 規定:

        1)管道(布置)應盡量“步步高”或“步步低”不出現或少出現氣袋和液袋,盡量避免死區。

        2)對輸送含有固體顆粒的管道,為避免顆粒沉降堵塞管道,泵的分支管可采用大坡度或45°角連接。

        3)對于側向吸入的泵,當液體進入泵管嘴時,如有偏流、渦流,則會破壞液體在葉輪內的流動平衡,影響泵的揚程和軸功率,同時由于液體進入葉輪的角度與設計要求不同,會出現氣阻,造成振動和噪聲,因而使泵的性能變劣、壽命縮短。為防止這種現象的發生,側面吸入的離心泵入口和第1個管件之間要有一段長度大于3倍管徑的直管段,然后才能連接彎頭。

        4)對于雙吸離心泵,為使泵軸兩側推力相等、葉輪平衡,吸入管道應有一段直管段。當吸入管道與泵軸平行,在同一平面與泵連接時,泵吸入口法蘭前方應有7DN以上的直管段,以防止由彎頭引起介質偏流,從而降低泵效率和損傷葉輪;當吸入管道與泵軸成直角和泵吸入嘴相接時,直管段可包括彎頭(半徑),也可把大小頭(過渡段)和切斷閥視作直管。若安裝直管段確有困難時,應在泵管嘴附近安裝整流管或加導流板以防止偏流和渦流。

        中國石化工程建設公司《泵配管設計規定  SEPD 0111-2001》和北京華福工程有限公司《泵配管設計規定  EM-PDW0111-2003》要求:

        1)泵吸入管道在滿足熱應力的前提下應盡量短、少拐彎,在任何情況下入口管道不允許有“氣袋”。

        2)雙吸入泵的吸入口應設一段不小于3倍管徑長的直管段,對大型泵應有7倍管徑以上的直管段,以使液體平穩入泵,避免產生偏流和旋轉流,引起泵振動和產生噪音。

        3)當雙吸入泵的配管為上吸入時,不必考慮吸入口上所要求的直管段。垂直管道可以通過彎頭和異徑管與吸入管口直接相連……

        國標GB50275-2010《壓縮機、風機、泵安裝工程施工及驗收規范》規定:

        1)吸入管路的直徑不應小于泵的入口直徑。

        2)當采用變徑管時,變徑管的長度不應小于管徑差的5倍~7倍。

        3)吸入管道的安裝不得有空氣團存在。

        4)泵入口前的直管段長度不應小于入口直徑的3倍。

        API RP 686標準《機械設備安裝和安裝設計實踐指南》[2] 規定:

        泵入口管道在進口法蘭與第一只彎管、三通、閥門、減壓器、永久性過濾器或其它足以影響入口介質流態穩定的設備之間應有一直管段,典型的直管段長度為5倍管徑。

        在法國TECHNIP集團公司管道設計規定中要求:

        對于“側進側出”形式的雙吸泵,當吸入側的第一個彎頭是水平安裝時,在泵的吸入端和第一個彎頭之間應有至少5倍管徑的直管段。反之當吸入側的第一個彎頭是垂直安裝時,泵的吸入端的直管段可以忽略。川崎的管道設計規定中則要求單吸泵入口前的直管段長度不應小于入口直徑3倍;雙吸泵入口前的直管段長度不應小于入口直徑的5倍。直管段是指離開大小頭(過渡段)的距離,臨時過濾器包括在這個直管段中 [3]。

        對于雙吸離心泵,瑞士SULZER泵公司,要求至少7位管徑以上的直管段 [4]。

        2、入口必須有足夠長的直管段

        從上述手冊/標準/規范中可以看出,除了配管為上吸入結構以外,其余型式的吸入結構泵入口直管段長度最好為5倍~7倍入口直徑。但是,實際工程應用中,由于受現場空間或投資成本的限制無法滿足上述要求。為此,給出推薦的最小直管段長度為入口直徑的3倍,并且直管段不包含過渡段長度。

        3、避免入口液流出現不穩定狀態

        紊流和渦流是泵(特別是濕坑式泵)吸入口最常見的不利于泵組安全、穩定運行的一種流態,渦流包括自由表面渦流和液面以下渦流。

        不穩定的入口液流會給泵帶來如下不利影響:

        1)流量、揚程特性的變化,并對泵的效率產生傷害。

        2)當渦流通過葉輪葉片時,會激發振動。

        3)葉輪徑向力會增加。

        4)誘導汽蝕。

        防止出現帶有空氣的自由表面渦流的措施 [5]:

        1)改善流動狀態,以避免流體出現旋轉或速度梯度增大(適當的管口寬度與深度相結合,將最大入口流速限制在0.5 m/s,又窄又長的流道,足以將液流均勻地引向泵[6])。

        2)提高淹沒深度。

        3)通過生鐵塊來達到防止出現空氣渦流的吸入水位。

        4)在防止空氣渦流產生的水位區域內安裝防止渦流產生的導流片。

        提高淹沒深度,可以避免入口液流產生渦流,ANSI/HI 9.8對此進行了相應定義。為了防止產生強烈的渦流而需要的最小淹沒深度S,部分是基于無量綱流動參數,即弗勞德數,定義為:

        如何合理設計離心泵吸入口管道?

        其中,FD = 弗勞德數,無量綱;

        V = 基于D的吸入口流速 = 流量/面積;

        D = 進水喇叭或管子入口外徑;

        g = 重力加速度

        V、D和g必須使用一致的單位,以便FD為無量綱。最小淹沒S應根據(Hecker, G.E., 1987):

        如何合理設計離心泵吸入口管道?

        這里,S的單位與D的單位一樣。

        以泵進水喇叭直徑D的倍數來確定液槽(sump)的尺寸是合適的?;凇癉”的尺寸確定了液壓邊界的幾何相似性和流動模式的動態相似性。不同的泵型和制造商,喇叭口處的流速有一些變化。

        防止出現水下渦流的措施 [5]:

        1)改善流動狀態,以避免流體出現旋轉或速度梯度增大。

        2)使用帶導流片的導水錐。

        3)通過肋筋或類似管件對近管壁處的流體流動施加影響。

        如果多臺泵安裝在一個單一的吸入結構中,那么在每臺泵之間設置一分隔墻會產生比開放式水池中更好的流動條件。如果不使用分隔墻,則會出現不利的流動模式。對于設計流量大于315 l/s 的泵,需要在泵之間設置分隔墻。對于設計流量小于等于315 l/s 的泵,泵之間不需要分隔墻,最小泵間距應為2D [6]。

        德國KSB公司所生產的大型立式循環水泵,一直以高效、可靠(振動?。┒Q,在全球得到了廣泛的應用,然而,在國內某泵站實際應用過程中卻發生了振動嚴重超標的情況。經專家組綜合評估,泵站進水池設計存在問題,導致出現大尺度渦街,引起壓力脈動,激發振動、誘導汽蝕。后來對進水池進行了“控渦技術(進水池組合式變高度導流墩+ 泵吸入口下部X型除渦板)”改造,泵運轉恢復正常。

        4、管道布置時避免出現氣囊

        氣囊的存在,不僅可能直接影響到泵的性能(出力不足,甚至不出液),而且還可能會引起氣蝕。為了避免管道布置時出現氣囊,GB50275-2010 《風機、壓縮機、泵安裝工程施工及驗收規范》對泵的吸入管道的安裝,給出了參考示例,見圖1。

      如何合理設計離心泵吸入口管道?

      圖1 - 泵吸入管道的安裝示例

      示例說明:

      1. 空氣團(氣囊)

      2. 向泵方向下降

      3. 同心變徑管

      4. 向泵方向上升

      5. 偏心變徑管

        5、含固體的液體吸入口結構的設計 [6]

        對于許多常見的含固體的液體,需要約1.0 m/s以上的流速來防止水平管道中的沉降;低于0.6 m/s的流速通常對于有機固體是足夠的。

        距離泵(入口法蘭至少)5倍吸入管徑內不應有干擾流量的配件(如部分打開的閥門、三通、短半徑彎頭等),完全打開的、無流量干擾的閥門、葉片式彎頭、長半徑彎頭和異徑管不被視為流量干擾配件(參見圖2和圖3)。

      如何合理設計離心泵吸入口管道?

      圖2 - 推薦的吸入口管道布置(D=管道直徑)

      如何合理設計離心泵吸入口管道?

      圖3 - 需要泵制造商認可的近泵吸入管接頭的示例

        吸入管尺寸通常比泵上的入口管徑大。在這種情況下,安裝一只同心或偏心的異徑管來適應管道尺寸的差異。對于水平吸入管道,偏心異徑管的平直側應位于頂部。對于泵附近沒有彎曲的垂直管道,推薦使用同心異徑管。

        當彎頭與葉輪軸處于同一個平面時,推薦的雙吸泵吸入管道直管段長度。詳見圖4。

      如何合理設計離心泵吸入口管道?

      圖4 -彎頭與葉輪軸處于同一平面的雙吸泵推薦的吸入管道

        6、無限制吸入口的應用經驗 [6]

        對于無限制吸入口的應用經驗,ANSI/HI 9.8中給出了明確的建議。無限制吸入口包括安裝在平臺或其它結構上的泵,這些吸入口缺少導向壁、集水槽壁或其它流動導向結構。典型的安裝包括河流、運河或溝渠的入口以及湖泊的入口和位于海水系統平臺上的泵。

        帶有無限制吸入口的泵通常位于發生單向錯流的地方,或者在潮汐變化可能導致泵進水喇叭周圍出現高度復雜的流體狀態的平臺上。從障礙物到泵吸入口任何可能導致尾流效應的推薦的最小距離是障礙物的最大橫截面尺寸的5倍。

        如果碎屑或底部沉積物沒有問題,入口喇叭應位于底部以上0.3D到0.5D處,以盡量減少水下渦流。對于底部碎屑懸浮物可能成為問題的應用,建議使用5D的最小間隙。

        對于安裝在沿海平臺上的泵,由于波浪的作用,風暴期間沙子的懸浮是不可避免的。在某些情況下,在吸入口周圍放置一層防護石可以有效地減少沉積物的懸浮。由于正確的防護設計需要專門的技術,這種防護層的設計應該在具有輸沙和拋石設計經驗的工程師的協助下進行。

        對于無限制吸入口,碎屑是特別需要關注的??梢酝ㄟ^連接在泵入口喇叭上的濾網來適應輕載碎屑;而對于重載碎屑來說,需要特殊的設計考慮。

        7、總結及建議

        1)吸入管路的直徑通常大于泵的入口直徑,嚴禁出現縮徑。

        2)當配管為端吸或側面吸入時,吸入口推薦的最小直管段長度為入口直徑的3倍,并且直管段不包含過渡段長度。對于大型雙吸入泵應有更大倍數管徑的直管段,如5倍~7倍。

        3)當配管為上吸入(包括雙吸入泵)時,可以不必考慮吸入口上所要求的直管段。

        4)為了避免出現自由表面渦流和液面以下渦流,應采取適當的預防措施。

        5)吸入口結構應避免產生不對稱流動模式的交叉流。對于設計流量大于315 l/s 的多臺泵安裝在一個單一的吸入結構中,需要在泵之間設置分隔墻。

        6)泵吸入管道在滿足熱應力的前提下應盡量短、少拐彎,在任何情況下,入口管道不允許有氣囊存在。

        7)對于含固體的液體,需要約1.0 m/s 以上的流速來防止水平管道中的沉降;低于0.6 m/s 的流速通常對于有機固體是足夠的。

        8)對于無限制吸入口,不同工況入口喇叭與底部之間的間隙不同,底部設計也不盡相同。

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