廠(chǎng)家告訴你如何合理設計離心泵吸入口管道精選

　　沈泉相信很多離心泵制造商都遇到過(guò)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(dòng)和噪音也很正常，但卻在G個(gè)別項目中出現了嚴重的問(wèn)題：泵不僅出力不足，而且振動(dòng)、噪音嚴重超標。那么原因到底是出在哪里?

　　一臺離心泵要想在(系統)流程中發(fā)揮出其Z佳狀態(tài)，除了本身的設計制造品質(zhì)以外，還與外部條件因素密切相關(guān)。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(jìn)/出口管道的布置及支撐、吸入口管道的設計及直管段長(cháng)度等。其中，Z常見(jiàn)的對離心泵性能會(huì )產(chǎn)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(cháng)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(guān)鍵。不穩定的液流會(huì )導致泵性能的下降，并可能由于振動(dòng)和汽蝕而縮短泵的使用壽命。

　　在工作過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )遇見(jiàn)買(mǎi)方/用戶(hù)詢(xún)問(wèn)這樣的問(wèn)題：離心泵入口管道布置有沒(méi)有直管段長(cháng)度要求?如果有，則有何依據?是否包含過(guò)渡段長(cháng)度?

　　現根據G內外不同手冊/標準/規范中提供的成熟的工程實(shí)踐、部分結合作者實(shí)際工作應用經(jīng)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。

　　一、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(shí)踐經(jīng)驗。不合理的入口管道的設計和布置，可能會(huì )帶來(lái)一系列的問(wèn)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(dòng)超標。

　　4)軸承和機械密封過(guò)早失效。

　　5)泵其它零件過(guò)早磨損和失效，如耐磨環(huán)。

　　6)葉輪和泵殼發(fā)生汽蝕損害。

　　7)接口法蘭處發(fā)生泄漏。除直管段長(cháng)度的要求沒(méi)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(jìn)入泵管嘴時(shí)，如有偏流、渦流，則會(huì )破壞液體在葉輪內的流動(dòng)平衡，影響泵的揚程和軸功率，同時(shí)由于液體進(jìn)入葉輪的角度與設計要求不同，會(huì )出現氣阻，造成振動(dòng)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(fā)生，側面吸入的離心泵入口和第1個(gè)管件之間要有一段長(cháng)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(shí)，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(zhì)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(shí)，直管段可包括彎頭(半徑)，也可把大小頭(過(guò)渡段)和切斷閥視作直管。若安裝直管段確有困難時(shí)，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G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(mǎn)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(cháng)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(chǎn)生偏流和旋轉流，引起泵振動(dòng)和產(chǎn)生噪音。

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

　　G標GB50275-2010《壓縮機、風(fēng)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(shí)，變徑管的長(cháng)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(cháng)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(shí)踐指南》[2] 規定：

　　泵入口管道在進(jìn)口法蘭與DY只彎管、三通、閥門(mén)、減壓器、永久性過(guò)濾器或其它足以影響入口介質(zhì)流態(tài)穩定的設備之間應有一直管段，典型的直管段長(cháng)度為5倍管徑。

　　在法GTECHNIP集團公司管道設計規定中要求：

　　對于“側進(jìn)側出”形式的雙吸泵，當吸入側的DY個(gè)彎頭是水平安裝時(shí)，在泵的吸入端和DY個(gè)彎頭之間應有至少5倍管徑的直管段。反之當吸入側的DY個(gè)彎頭是垂直安裝時(shí)，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(cháng)度不應小于入口直徑3倍;雙吸泵入口前的直管段長(cháng)度不應小于入口直徑的5倍。直管段是指離開(kāi)大小頭(過(guò)渡段)的距離，臨時(shí)過(guò)濾器包括在這個(gè)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]。

　　二、入口必須有足夠長(cháng)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(cháng)度Z好為5倍~7倍入口直徑。但是，實(shí)際工程應用中，由于受現場(chǎng)空間或投資成本的限制無(wú)法滿(mǎn)足上述要求。為此，給出推薦的Z小直管段長(cháng)度為入口直徑的3倍，并且直管段不包含過(guò)渡段長(cháng)度。

　　三、避免入口液流出現不穩定狀態(tài)

　　紊流和渦流是泵(特別是濕坑式泵)吸入口Z常見(jiàn)的不利于泵組安全、穩定運行的一種流態(tài)，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(huì )給泵帶來(lái)如下不利影響：

　　1)流量、揚程特性的變化，并對泵的效率產(chǎn)生傷害。

　　2)當渦流通過(guò)葉輪葉片時(shí)，會(huì )激發(fā)振動(dòng)。

　　3)葉輪徑向力會(huì )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(dòng)狀態(tài)，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Z大入口流速限制在0.5 m/s，又窄又長(cháng)的流道，足以將液流均勻地引向泵[6])。

　　2)提高淹沒(méi)深度。

　　3)通過(guò)生鐵塊來(lái)達到防止出現空氣渦流的吸入水位。

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

　　提高淹沒(méi)深度，可以避免入口液流產(chǎn)生渦流，ANSI/HI 9.8對此進(jìn)行了相應定義。為了防止產(chǎn)生強烈的渦流而需要的Z小淹沒(méi)深度S，部分是基于無(wú)量綱流動(dòng)參數，即弗勞德數，定義為：

　　其中，FD = 弗勞德數，無(wú)量綱;

　　V = 基于D的吸入口流速 = 流量/面積;

　　D = 進(jìn)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(wú)量綱。Z小淹沒(méi)S應根據(Hecker, G.E., 1987)：

　　這里，S的單位與D的單位一樣。

　　以泵進(jìn)水喇叭直徑D的倍數來(lái)確定液槽(sump)的尺寸是合適的?；?ldquo;D”的尺寸確定了液壓邊界的幾何相似性和流動(dòng)模式的動(dòng)態(tài)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(dòng)狀態(tài)，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(guò)肋筋或類(lèi)似管件對近管壁處的流體流動(dòng)施加影響。

　　如果多臺泵安裝在一個(gè)單一的吸入結構中，那么在每臺泵之間設置一分隔墻會(huì )產(chǎn)生比開(kāi)放式水池中更好的流動(dòng)條件。如果不使用分隔墻，則會(huì )出現不利的流動(dòng)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，Z小泵間距應為2D [6]。

　　德GKSB公司所生產(chǎn)的大型立式循環(huán)水泵，一直以高效、可靠(振動(dòng)小)而著(zhù)稱(chēng)，在全球得到了廣泛的應用，然而，在G內某泵站實(shí)際應用過(guò)程中卻發(fā)生了振動(dòng)嚴重超標的情況。經(jīng)專(zhuān)家組綜合評估，泵站進(jìn)水池設計存在問(wèn)題，導致出現大尺度渦街，引起壓力脈動(dòng)，激發(fā)振動(dòng)、誘導汽蝕。后來(lái)對進(jìn)水池進(jìn)行了“控渦技術(shù)(進(jìn)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。

　　四、管道布置時(shí)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(huì )引起氣蝕。為了避免管道布置時(shí)出現氣囊，GB50275-2010 《風(fēng)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(jiàn)圖1。

　　圖1 - 泵吸入管道的安裝示例

　　示例說(shuō)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

　　五、含固體的液體吸入口結構的設計 [6]

　　對于許多常見(jiàn)的含固體的液體，需要約1.0 m/s以上的流速來(lái)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(kāi)的閥門(mén)、三通、短半徑彎頭等)，完全打開(kāi)的、無(wú)流量干擾的閥門(mén)、葉片式彎頭、長(cháng)半徑彎頭和異徑管不被視為流量干擾配件(參見(jiàn)圖2和圖3)。

　　圖2 - 推薦的吸入口管道布置(D=管道直徑)

　　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(lái)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(méi)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(gè)平面時(shí)，推薦的雙吸泵吸入管道直管段長(cháng)度。詳見(jiàn)圖4。

　　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

　　六、無(wú)限制吸入口的應用經(jīng)驗 [6]

　　對于無(wú)限制吸入口的應用經(jīng)驗，ANSI/HI 9.8中給出了明確的建議。無(wú)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(dòng)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(wú)限制吸入口的泵通常位于發(fā)生單向錯流的地方，或者在潮汐變化可能導致泵進(jìn)水喇叭周?chē)霈F高度復雜的流體狀態(tài)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Z小距離是障礙物的Z大橫截面尺寸的5倍。

　　如果碎屑或底部沉積物沒(méi)有問(wèn)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(wèn)題的應用，建議使用5D的Z小間隙。

　　對于安裝在沿海平臺上的泵，由于波浪的作用，風(fēng)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?chē)胖靡粚臃雷o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(zhuān)門(mén)的技術(shù)，這種防護層的設計應該在具有輸沙和拋石設計經(jīng)驗的工程師的協(xié)助下進(jìn)行。

　　對于無(wú)限制吸入口，碎屑是特別需要關(guān)注的?？梢酝ㄟ^(guò)連接在泵入口喇叭上的濾網(wǎng)來(lái)適應輕載碎屑;而對于重載碎屑來(lái)說(shuō)，需要特殊的設計考慮。

　　七、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(shí)，吸入口推薦的Z小直管段長(cháng)度為入口直徑的3倍，并且直管段不包含過(guò)渡段長(cháng)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(shí)，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(chǎn)生不對稱(chēng)流動(dòng)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(gè)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(mǎn)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(lái)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(wú)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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本文參考資料來(lái)源： 中國泵閥網(wǎng) 泵閥商務(wù)網(wǎng) 中國知網(wǎng)