大型循环水泵出口管道膨胀节使用与支架设计

万 宁，周 涛

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

大型化工项目中，循环水泵进出口管道常见布置，如图1所示；为方便管道安装对中以及减少泵口受力和振动对管道影响，泵进出口管道都设置了膨胀节。循环水泵一般憋压启动，所以设置控制蝶阀，压力起来后阀门缓慢开启。此外，为避免停泵瞬间循环水倒流产生破坏性水击现象，保证泵的安全，出口配有微启缓闭式止回阀。

图1 水泵进出口常见布置

由于管道的大型化（公称直径均超过DN1 000），阀门自重及管道充水后的重量都很大，为避免管道对泵口的荷载过大，泵出口管道支架的合理设计就显得尤为重要。

某甲工程项目中，循环泵出口管道在试车时，阀门附近支架脱离管墩，即有脱空失效现象；某乙工程项目中，循环水泵试车过程中，泵体被推偏无法正常试车。本文以该两个项目为例，来讨论泵出口管道支架的合理设计及膨胀节的正确选用与安装。

1 背景介绍与原因分析

1.1 甲项目问题介绍及分析

甲项目中，循环水泵出口管道规格为Φ1 219×12.7mm，管道材质API-5LB，管道从泵出口经过阀门后进入地下管网，详细布置，如图2所示。

图2 甲项目泵出口管道模型图

甲项目试车时,132点处的支架出现了明显的脱空现象，112点处支架部分接触面也出现脱空。管墩处的硬化地面并没有裂痕，首先排除了管墩沉降的可能性。通过分析现场环境，发现由于现场地处沙漠地带，安装时的温度为15~20℃，试车时地表环境温度已接近50℃，但埋地管部分仍处于安装温度，此时管道中还没有循环水，判断属于由温差产生的热胀现象。通过建立模型计算，也得出了同样的结论，由于管道刚度大，管线应力满足规范要求，载荷转移到了72点支架及入地的主管处，且都在可以承受的范围内，但泵口载荷变化却不大，说明膨胀节起到了隔离管道载荷的作用，判断可以进行启泵试车，结果试车一切正常。

1.2 乙项目问题介绍及分析

乙项目中，循环水泵出口管道规格为Φ1 420×12mm，管道材质Q235B，循环水泵在试车过程中，泵壳体被推偏了6mm左右，造成试车失败。泵体发生偏移，说明泵出口受到了较大的作用力，由于存在膨胀节的隔离作用，首先可以排除管道的沉降、热膨胀等因素。经检查发现泵出口管道选用了带限位拉杆的金属膨胀节，限位拉杆螺母和耳板之间存在间隙，判断由于憋压启动，膨胀节不能平衡内压，从而产生了较大的水平推力。

如图3所示，金属波形膨胀节中内压盲板力等于内压力乘以波形膨胀节的有效面积（波纹管中径圆面积），为避免内压盲板力造成金属波纹管失效，必须提供其他装置来承受内压盲板力，如膨胀节附带的拉杆、铰链或万向支架或外部固定支吊架。

图3 膨胀节内压盲板力

泵出口管道金属膨胀节的中径1 465mm，有效面积1.686m2，管道内压为0.6MPa，故膨胀节传递出的内压盲板力为1 011kN，正常情况下，其内压盲板力由拉杆承担，而不会传递到固定点及泵出口。由于膨胀节安装后拉杆螺母和耳板之间存在间隙，导致拉杆松懈，不再承受盲板力，造成盲板力作用在了固定支架和泵出口。

为了验证该结论，按照现场管道布置情况，建立应力分析模型，如图4所示；其中230点处为滑动支架，缓闭式止回阀底部支架和下面管墩通过螺栓固定，240处按固定支架建模，管道在140处直接接入地下主管，埋地主管对管道有支撑作用，以及土壤摩擦力影响，可简单地将140处模拟成承重加导向支架。现场膨胀节实际安装情况是限位拉杆螺母和耳板之间存在间隙，没有完全拧紧，CAESARII中设置参数时，将膨胀节拉杆处轴向限位支架设置2mm间隙。

图4 乙项目泵出口管道模型图

建立应力计算模型并运行，泵出口的受力计算结果如表1所示。计算显示操作状态下泵出口所承受的轴向推力达到了1 054kN，远远超过了泵出口处的允许受力，泵在这种受力状态下运行，其基础受到很大的水平推力荷载。

表1 乙项目泵出口受力表

从表1可以看出，应力分析得到的泵口受力大于膨胀节的盲板力，这是因为膨胀节的刚度反力和支架滑动时的摩擦反力共同叠加的结果。

膨胀节在使用过程中会产生拉压和弯曲变形，会对固定点和约束型支架产生弹性反力，这个力的大小等于变形位移乘以相应的刚度，膨胀节轴向刚度为1 500N/mm，操作温度40℃，相对于环境温度20℃，泵口和固定点之间4m管道被压缩的位移有0.84mm，由于限位拉杆螺母和耳板存在间隙，导致波纹管被压缩，因波纹管压缩产生的弹性力为1 260N，和内压盲板力相比，弹性力很小，不会对固定点和泵出口造成过大的影响。

但是水泵出口尺寸较大，DN1400管道每米充水重约为20kN，4m管道的充水重约为80kN，如果存在滑动，钢对钢的摩擦系数0.3，此时支撑处的轴向摩擦力为24kN，对于泵这类敏感设备而言，这个力在计算时也是必须考虑的。

综上，本案例中泵出口所承受的推力主要有膨胀节的内压盲板力、膨胀节变形弹性力，以及支架摩擦力。其中，泵口所承受推力超标的主要因素是盲板力过大，其原因是膨胀节安装偏差，造成波纹管被压缩，加之支架设置不合理，导致本应该由膨胀节拉杆承担的内压盲板力传递到泵出口。

1.3 甲、乙项目对比分析

对比两个项目，走向布置基本一致，只有膨胀节有差异，如图5所示，左侧为甲项目，右侧为乙项目，甲项目膨胀节内侧有双螺母锁紧，有效保证拉杆承受内压盲板力，但橡胶长时间处于阳光直射容易老化，需要定期进行检查。乙项目使用金属膨胀节，柔韧性没有橡胶好，且拉杆内侧没有锁紧螺母，容易使拉杆无法承受内压盲板力。

图5 甲、乙项目膨胀节

2 改进措施及效果

2.1 甲项目改进措施

对于甲项目，观察停机后支架的变化，发现由于运行时循环水温度接近常温，支架或已经回落到管墩，或与管墩的脱空间隙减小，充分说明了该处支架脱空是由于环境温差引起。对于落回原处的支架，不进行额外处理，对不能完全落回原处的支架，将脱空间隙处用垫板补充，保证支架受力，分担相应的管道载荷。另外，加固泵口第一个支架，避免再次由于支架脱空导致载荷转移后支架承载能力不足。

2.2 乙项目改进措

针对乙项目，现场对泵出口管道支架进行了优化，如图6所示。240处的固定架修改为承重加导向支架，允许管道在支架处存在轴向位移，并采用不锈钢和PTFE接触面的形式，降低滑动摩擦力。膨胀节拉杆螺母要求拧紧，螺母和耳板之间不允许有间隙，建模时将拉杆轴向限位支架间隙修改为0。同时230滑动支架采用不锈钢和PTFE接触面的形式，并设置单边止推支架，承受轴向推力。

图6 乙项目优化后的出口管道计算模型图

为验证整改方案的正确性，建立管道应力分析模型进行计算，泵出口处的受力计算结果如表2所示。

表2 乙项目优化后泵出口受力表

优化前后泵出口受力的对比情况，如表3所示，可以看出支架形式及膨胀节安装按上述修改后，泵口所承受推力大幅度减小，且再次启泵运行，试车结果一切正常。

表3 乙项目优化前后泵出口受力对比表

3 结语

对于大型循环水泵出口管道，其直径大，自重及充水后载荷很大，支架数量应足够，避免载荷过于集中。在环境温差较大的项目，温度变化引起的热胀冷缩位移不能忽视，承重支架均宜采用不锈钢对PTFE摩擦副，来降低因滑动产生的摩擦力。

泵出口缓闭式止回阀是为了防止介质倒流及水锤，对支架要求高，阀门本体都带有螺栓孔的底座，阀门安装时直接用螺栓固定在管墩上，故建议阀门底座螺栓孔设置成长圆孔，允许阀门在支撑处可以少量的轴向滑动，底座宜采用不锈钢板，管墩处垫PTFE板，减小摩擦力。

大型循环水泵出口管道膨胀节主要作用是隔振，减少泵振动对管道的影响，同时也有利于安装时管道对中，因此宜选用隔振效果好的橡胶膨胀节。在编制膨胀数据表时，应明确膨胀节必须带拉杆限位装置，拉杆限位装置能够承担内压盲板力，端板两侧都有锁紧螺母。由拉杆限位装置承担内压盲板力，安装时拉杆螺母和耳板不留间隙。膨胀节附近支架应为滑动支架，且设置单边止推支架，允许管道轴向移动的同时，避免出现案例中膨胀节拉杆松懈，产生的内压盲板力传递到泵口的情况。