怎樣合理設(shè)計(jì)離心泵吸入口管道？

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(guī)格型號(hào)的泵運(yùn)行一直良好，性能、振動(dòng)和噪音也很正常，但卻在極個(gè)別項(xiàng)目中出現(xiàn)了嚴(yán)重的問(wèn)題：泵不僅出力不足，而且振動(dòng)、噪音嚴(yán)重超標(biāo)。原因何在？

一臺(tái)離心泵要想在（系統(tǒng)）流程中發(fā)揮出其最佳狀態(tài)，除了本身的設(shè)計(jì)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(chǔ)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及直管段長(zhǎng)度等。其中，最常見(jiàn)的對(duì)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(shè)計(jì)及直管段的長(zhǎng)度。吸入管道的正確設(shè)計(jì)是決定輸送到泵的液體均勻性的關(guān)鍵。不穩(wěn)定的液流會(huì)導(dǎo)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無(wú)直管段長(zhǎng)度要求？如果有，則有何依據(jù)？是否包含過(guò)渡段長(zhǎng)度？現(xiàn)根據(jù)國(guó)內(nèi)外不同手冊(cè)/標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中提供的成熟的工程實(shí)踐、部分結(jié)合作者實(shí)際工作應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，就如何合理設(shè)計(jì)離心泵吸入口管道給出總結(jié)及建議，希望有助于避免工程應(yīng)用中因吸入口設(shè)計(jì)不合理而造成泵組不正常的運(yùn)行。

1.不同手冊(cè)/標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范對(duì)離心泵吸入管道設(shè)計(jì)要求

在很多工程應(yīng)用中，管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yàn)。不合理的入口管道的設(shè)計(jì)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(yáng)程和效率下降）。

（2）運(yùn)行期間噪音較大。

（3）泵組振動(dòng)超標(biāo)。

（4）軸承和機(jī)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(zhǎng)度的要求沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以外，對(duì)于離心泵入口管道的設(shè)計(jì)，不同手冊(cè)/標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范的要求大同小異。

《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1] 規(guī)定：

（1）管道（布置）應(yīng)盡量“步步高”或“步步低”不出現(xiàn)或少出現(xiàn)氣袋和液袋，盡量避免死區(qū)。

（2）對(duì)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(duì)于側(cè)向吸入的泵，當(dāng)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(nèi)的流動(dòng)平衡，影響泵的揚(yáng)程和軸功率，同時(shí)由于液體進(jìn)入葉輪的角度與設(shè)計(jì)要求不同，會(huì)出現(xiàn)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(xiàn)象的發(fā)生，側(cè)面吸入的離心泵入口和第1個(gè)管件之間要有一段長(zhǎng)度大于3倍管徑的直管段，然后才能連接彎頭。

（4）對(duì)于雙吸離心泵，為使泵軸兩側(cè)推力相等、葉輪平衡，吸入管道應(yīng)有一段直管段。

當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)在泵管嘴附近安裝整流管或加導(dǎo)流板以防止偏流和渦流。

中國(guó)石化工程建設(shè)公司《泵配管設(shè)計(jì)規(guī)定  SEPD 0111-2001》和北京華福工程有限公司《泵配管設(shè)計(jì)規(guī)定  EM-PDW0111-2003》要求：

（1）泵吸入管道在滿(mǎn)足熱應(yīng)力的前提下應(yīng)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(yīng)設(shè)一段不小于3倍管徑長(zhǎng)的直管段，對(duì)大型泵應(yīng)有7倍管徑以上的直管段，以使液體平穩(wěn)入泵，避免產(chǎn)生偏流和旋轉(zhuǎn)流，引起泵振動(dòng)和產(chǎn)生噪音。

（3）當(dāng)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……

國(guó)標(biāo)GB50275-2010《壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定：

（1）吸入管路的直徑不應(yīng)小于泵的入口直徑。

（2）當(dāng)采用變徑管時(shí)，變徑管的長(zhǎng)度不應(yīng)小于管徑差的5倍~7倍。

（3）吸入管道的安裝不得有空氣團(tuán)存在。

（4）泵入口前的直管段長(zhǎng)度不應(yīng)小于入口直徑的3倍。

API RP 686標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械設(shè)備安裝和安裝設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》[2] 規(guī)定：

泵入口管道在進(jìn)口法蘭與第一只彎管、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(wěn)定的設(shè)備之間應(yīng)有一直管段，典型的直管段長(zhǎng)度為5倍管徑。

在法國(guó)TECHNIP集團(tuán)公司管道設(shè)計(jì)規(guī)定中要求：

對(duì)于“側(cè)進(jìn)側(cè)出”形式的雙吸泵，當(dāng)吸入側(cè)的第一個(gè)彎頭是水平安裝時(shí)，在泵的吸入端和第一個(gè)彎頭之間應(yīng)有至少5倍管徑的直管段。反之當(dāng)吸入側(cè)的第一個(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(shè)計(jì)規(guī)定中則要求單吸泵入口前的直管段長(zhǎng)度不應(yīng)小于入口直徑3倍；雙吸泵入口前的直管段長(zhǎng)度不應(yīng)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(duì)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(zhǎng)的直管段

從上述手冊(cè)/標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范中可以看出，除了配管為上吸入結(jié)構(gòu)以外，其余型式的吸入結(jié)構(gòu)泵入口直管段長(zhǎng)度最好為5倍~7倍入口直徑。但是，實(shí)際工程應(yīng)用中，由于受現(xiàn)場(chǎng)空間或投資成本的限制無(wú)法滿(mǎn)足上述要求。為此，給出推薦的最小直管段長(zhǎng)度為入口直徑的3倍，并且直管段不包含過(guò)渡段長(zhǎng)度。

3.避免入口液流出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)

紊流和渦流是泵（特別是濕坑式泵）吸入口最常見(jiàn)的不利于泵組安全、穩(wěn)定運(yùn)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(wěn)定的入口液流會(huì)給泵帶來(lái)如下不利影響：

（1）流量、揚(yáng)程特性的變化，并對(duì)泵的效率產(chǎn)生傷害。

（2）當(dāng)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(dǎo)汽蝕。

防止出現(xiàn)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(xiàn)旋轉(zhuǎn)或速度梯度增大（適當(dāng)?shù)墓芸趯挾扰c深度相結(jié)合，將最大入口流速限制在0.5 m/s，又窄又長(zhǎng)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(dá)到防止出現(xiàn)空氣渦流的吸入水位。

（4）在防止空氣渦流產(chǎn)生的水位區(qū)域內(nèi)安裝防止渦流產(chǎn)生的導(dǎo)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(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)定義。為了防止產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流而需要的最小淹沒(méi)深度S，部分是基于無(wú)量綱流動(dòng)參數(shù)，即弗勞德數(shù)，定義為：

其中，F(xiàn)D = 弗勞德數(shù)，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。最小淹沒(méi)S應(yīng)根據(jù)（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(shù)來(lái)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(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(xiàn)水下渦流的措施 [5]：

（1）改善流動(dòng)狀態(tài)，以避免流體出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)或速度梯度增大。

（2）使用帶導(dǎo)流片的導(dǎo)水錐。

（3）通過(guò)肋筋或類(lèi)似管件對(duì)近管壁處的流體流動(dòng)施加影響。

如果多臺(tái)泵安裝在一個(gè)單一的吸入結(jié)構(gòu)中，那么在每臺(tái)泵之間設(shè)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(xiàn)不利的流動(dòng)模式。對(duì)于設(shè)計(jì)流量大于315 l/s 的泵，需要在泵之間設(shè)置分隔墻。對(duì)于設(shè)計(jì)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(yīng)為2D [6]。

德國(guó)KSB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)?。┒Q(chēng)，在全球得到了廣泛的應(yīng)用，然而，在國(guó)內(nèi)某泵站實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中卻發(fā)生了振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)的情況。經(jīng)專(zhuān)家組綜合評(píng)估，泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)大尺度渦街，引起壓力脈動(dòng)，激發(fā)振動(dòng)、誘導(dǎo)汽蝕。后來(lái)對(duì)進(jìn)水池進(jìn)行了“控渦技術(shù)（進(jìn)水池組合式變高度導(dǎo)流墩+ 泵吸入口下部X型除渦板）”改造，泵運(yùn)轉(zhuǎn)恢復(fù)正常。

4.管道布置時(shí)避免出現(xiàn)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(xiàn)氣囊，GB50275-2010 《風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)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(tuán)（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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) [6]

對(duì)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(duì)于有機(jī)固體是足夠的。距離泵（入口法蘭至少）5倍吸入管徑內(nèi)不應(yīng)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(zhǎng)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(rèn)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(yīng)管道尺寸的差異。對(duì)于水平吸入管道，偏心異徑管的平直側(cè)應(yīng)位于頂部。對(duì)于泵附近沒(méi)有彎曲的垂直管道，推薦使用同心異徑管。當(dāng)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(zhǎng)度。詳見(jiàn)圖4。

6.無(wú)限制吸入口的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn) [6]

對(duì)于無(wú)限制吸入口的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，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(tái)或其它結(jié)構(gòu)上的泵，這些吸入口缺少導(dǎo)向壁、集水槽壁或其它流動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。典型的安裝包括河流、運(yùn)河或溝渠的入口以及湖泊的入口和位于海水系統(tǒng)平臺(tái)上的泵。帶有無(wú)限制吸入口的泵通常位于發(fā)生單向錯(cuò)流的地方，或者在潮汐變化可能導(dǎo)致泵進(jìn)水喇叭周?chē)霈F(xiàn)高度復(fù)雜的流體狀態(tài)的平臺(tái)上。從障礙物到泵吸入口任何可能導(dǎo)致尾流效應(yīng)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(méi)有問(wèn)題，入口喇叭應(yīng)位于底部以上0.3D到0.5D處，以盡量減少水下渦流。對(duì)于底部碎屑懸浮物可能成為問(wèn)題的應(yīng)用，建議使用5D的最小間隙。對(duì)于安裝在沿海平臺(tái)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(hù)石可以有效地減少沉積物的懸浮。由于正確的防護(hù)設(shè)計(jì)需要專(zhuān)門(mén)的技術(shù)，這種防護(hù)層的設(shè)計(jì)應(yīng)該在具有輸沙和拋石設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師的協(xié)助下進(jìn)行。對(duì)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(yīng)輕載碎屑；而對(duì)于重載碎屑來(lái)說(shuō)，需要特殊的設(shè)計(jì)考慮。

7.總結(jié)及建議

（1）吸入管路的直徑通常大于泵的入口直徑，嚴(yán)禁出現(xiàn)縮徑。

（2）當(dāng)配管為端吸或側(cè)面吸入時(shí)，吸入口推薦的最小直管段長(zhǎng)度為入口直徑的3倍，并且直管段不包含過(guò)渡段長(zhǎng)度。對(duì)于大型雙吸入泵應(yīng)有更大倍數(shù)管徑的直管段，如5倍~7倍。

（3）當(dāng)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(xiàn)自由表面渦流和液面以下渦流，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

（5）吸入口結(jié)構(gòu)應(yīng)避免產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)流動(dòng)模式的交叉流。對(duì)于設(shè)計(jì)流量大于315 l/s 的多臺(tái)泵安裝在一個(gè)單一的吸入結(jié)構(gòu)中，需要在泵之間設(shè)置分隔墻。

（6）泵吸入管道在滿(mǎn)足熱應(yīng)力的前提下應(yīng)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(duì)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(duì)于有機(jī)固體是足夠的。

（8）對(duì)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(shè)計(jì)也不盡相同。