王慶綱

天津博華工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 天津 300211

大型離心泵試車事故的分析與對(duì)策

王慶綱

天津博華工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 天津 300211

在兩起大型離心泵試車事故中，均突然發(fā)生泵體偏移，泵體與底座聯(lián)結(jié)螺栓被剪斷，造成電機(jī)與泵體聯(lián)軸器柱塞變形，不銹鋼波形補(bǔ)償器被破壞的質(zhì)量事故。離心泵在設(shè)計(jì)時(shí)通常都在泵體與管道之間加一個(gè)橡膠撓性接頭，但該兩起事故中，使用的是不銹鋼波形補(bǔ)償器，且安裝分別在泵進(jìn)、出口位置，在試車時(shí)由于壓力迅速上升引發(fā)事故發(fā)生。經(jīng)過(guò)對(duì)事故原因的分析、研究和理論計(jì)算，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后離心水泵運(yùn)行平穩(wěn)，未見(jiàn)異常。經(jīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出了該類設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝方面的改進(jìn)建議，供同行參考。

離心泵 試車 螺栓斷裂 補(bǔ)償器破壞 原因

我單位監(jiān)理的天津?yàn)I海新區(qū)某大型化工廠與天津110萬(wàn)t/a大乙烯對(duì)接項(xiàng)目：50萬(wàn)t/a苯乙烯；40萬(wàn)t/aABS；12萬(wàn)t/aEBS共用的公用工程，該工程由該廠自行設(shè)計(jì)、施工，現(xiàn)已投入使用。

本工程的消防水泵房安裝兩種型號(hào)各4臺(tái)固定式離心雙吸式清水泵：

型號(hào)：XBD5.5/417-SLOW300-460

產(chǎn)地：上海連成泵業(yè)制造有限公司

參數(shù)：進(jìn)口：DN500 出口：DN400 壓力：0.55Mpa（另一型號(hào)為1.2MPa高壓泵） 流量：417L/S 電機(jī)功率：630KW電壓：6000V 轉(zhuǎn)速：1480r/min

循環(huán)水泵房安裝了4臺(tái)雙吸中開(kāi)蝸殼式離心泵：

型號(hào)：36SAP-13 產(chǎn)地：長(zhǎng)沙水泵廠

參數(shù)：進(jìn)口：DN1000出口：DN900

楊程：H=55M 流量：Q=4000M3/h

電機(jī)功：900KW 電壓：6000V 轉(zhuǎn)速：980r/min

安裝及配管形式見(jiàn)圖（1）

1 事故發(fā)生的經(jīng)過(guò)

先試消防水泵，試車前，施工單位按離心泵《安裝使用說(shuō)明書(shū)》的要求和GB50275-98《壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》第4.2.17條的規(guī)定編制了《單機(jī)試車方案》：一切準(zhǔn)備就緒，遵照下列步驟開(kāi)始單機(jī)試車：

（1）打開(kāi)吸入管路閥門(mén)，關(guān)閉排出管路閥門(mén)。

（2）打開(kāi)所有的附屬管路閥門(mén)并檢查工作已正常。

（3）啟動(dòng)電機(jī)。

（4）轉(zhuǎn)速正常后再緩慢打開(kāi)排出口管路閥門(mén)。

泵啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速剛正常，還沒(méi)等打開(kāi)出口閥門(mén)就聽(tīng)到一聲巨響，緊急停車后檢查發(fā)現(xiàn)：泵體與底座間的4條螺栓以泵出口一側(cè)靠電機(jī)方向那條（已嚴(yán)重變形）為圓心，泵體呈扇形滑向排出口方向，其余三條螺栓被剪斷，螺栓處最大滑移量約200mm，排出口和吸入口兩端不銹鋼波形補(bǔ)償器嚴(yán)重變形，徹底報(bào)廢。泵體和電機(jī)之間的聯(lián)軸器完好，彈性柱銷已損壞，幸好未造成兩傳動(dòng)軸變形。

后來(lái)又用原來(lái)的方法試循環(huán)水泵，和試消防泵一樣發(fā)生了完全相同的事故。

起初，建設(shè)、施工和設(shè)計(jì)單位經(jīng)過(guò)分析拿出了改進(jìn)措施，即將波形補(bǔ)償器端板加固，加粗四條拉桿重新用螺母內(nèi)外固定，使波形補(bǔ)償器既不能壓縮也不能拉伸，完全失去了作用。

2 事故原因分析

清水離心泵在設(shè)計(jì)時(shí)通常都在泵體與管道之間加一個(gè)橡膠撓性接頭，主要作用有二：一是防止管路的重量作用在泵體上，二是防止管道運(yùn)行時(shí)流體在管內(nèi)脈沖引起的振動(dòng)傳到泵體上，從而影響水泵的平穩(wěn)運(yùn)行。此設(shè)計(jì)使用不銹鋼波形補(bǔ)償器，且安裝位置分別在泵進(jìn)、出口，試車前已按要求松開(kāi)拉桿。當(dāng)水泵啟動(dòng)后，此段壓力迅速上升至5.5MPa，這就在處于自由狀態(tài)的補(bǔ)償器兩端形成了兩個(gè)方向相反大小相等的作用力P，作用于管道上的力P由于管道為剛性體且有固定支架，管道不可能移動(dòng)，而另一側(cè)施加給泵體的推力P在克服了泵體與底座通過(guò)螺栓聯(lián)接產(chǎn)生的摩擦力后直接給螺栓造成一個(gè)剪應(yīng)力。當(dāng)這個(gè)剪應(yīng)力超過(guò)螺栓的抗剪強(qiáng)度后，就會(huì)發(fā)生這樣的事故。

3 理論推導(dǎo)計(jì)算

現(xiàn)以16寸消防水泵為例進(jìn)行分析，其水泵啟動(dòng)后，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)在未打開(kāi)出口閥的狀態(tài)下其受力情況見(jiàn)（圖2）

式中：

P—泵體所受到的推力（KN）

D—泵排出口管徑（cm）

P0—泵 排 出 口 絕 對(duì) 壓 力 0.6（MPa）1MPa=0.0981（KN/cm2）

將以上數(shù)值代人（式1）得：

受力情況計(jì)算如下：

3.1 泵體所受到的推力計(jì)算

已知水泵排出口壓力為0.55MPa，吸入口負(fù)壓至少為0.05Mpa，泵排出口的實(shí)際絕對(duì)壓力應(yīng)為：

0.55 +0.05 =0.6（Mpa），管徑 DN=400，泵啟動(dòng)后在未開(kāi)啟出口閥門(mén)前，泵體所受到的推力由下式計(jì)算：

可知泵體所受到的推力：P=73.97（KN）

3.2 螺栓所受到的剪應(yīng)力

泵體在推力P的作用下直接將力傳遞到聯(lián)接螺栓，其所受到的剪應(yīng)力τ由下式計(jì)算：

式中：

P—泵體所承受的推力（KN）（見(jiàn)式1）；

f—泵體與底座間的摩擦力。

注：f=μN(yùn)（KN）式中：

μ—摩擦系數(shù)。查手冊(cè)鑄鐵與炭鋼μ=0.3

N—正壓力，單個(gè)螺擰緊后估計(jì)為：5（KN）

代人數(shù)值，4條螺栓計(jì)算得：f＝0.,3×5×4＝6（KN）；

F—單個(gè)螺栓強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的有效面積，查手冊(cè)F=1.744（cm2）；

n—螺栓數(shù)量 根據(jù)實(shí)際破壞情況n=3；

α—螺栓不同時(shí)受剪系數(shù)。考慮到泵體與底座相聯(lián)的螺栓孔的定位尺寸為自由公差，通常螺孔比螺栓大2mm，因此在泵體與底座錯(cuò)動(dòng)時(shí)不可能在三條螺栓上同時(shí)受剪。實(shí)際應(yīng)為相繼受剪逐個(gè)斷裂，故此估計(jì)α=0.5。

將以上數(shù)值代入（式2）得出M18螺栓的剪應(yīng)力為：

可知螺栓所受到的剪應(yīng)力：τ=25.96（KN/cm2），這里只是近似計(jì)算，從實(shí)際破壞情況看這個(gè)力要大的多。

3.3 螺栓抗剪強(qiáng)度校核

由材料力學(xué)的第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論）在純剪時(shí)：

可知：螺栓斷裂必須出現(xiàn)τ＞[τ]的情況

[τ]—許用剪切強(qiáng)度極限（KN/cm2）。從螺栓斷口情況看材質(zhì)象Q235，查手冊(cè)強(qiáng)度極限為41.16（KN/cm2）將數(shù)值代入（式3）

通過(guò)以上計(jì)算證實(shí)τ＞[τ]，所以泵體在推力P的作用下向后移動(dòng)，此時(shí)泵體聯(lián)軸器一側(cè)因與電機(jī)聯(lián)軸器用彈性柱銷相聯(lián)，其向后移動(dòng)受到限制。因泵體外側(cè)為自由端，于是出現(xiàn)了如圖2以螺栓A點(diǎn)為圓心B、C、D點(diǎn)逆時(shí)鐘作扇形移動(dòng)的破壞現(xiàn)象。

用同樣的方法計(jì)算36吋循環(huán)水泵，所不同的是泵排出口為DN900螺栓為M33。計(jì)算所得結(jié)果：

τ＞[τ]38.59＞20.58（KN/cm2）而且比 16寸泵破壞力大的多。

4 討論

通過(guò)以上分析、計(jì)算、證實(shí)這類泵在此種設(shè)計(jì)條件下安裝，試車必然會(huì)出現(xiàn)如前敘述的事故。相同的設(shè)計(jì)方法，兩種不同規(guī)格、不同廠家生產(chǎn)的泵安裝在不同車間，在試車時(shí)出現(xiàn)相同的質(zhì)量事故，完全可以說(shuō)明，高揚(yáng)程、大流量、大功率的離心式水泵不能采用如（圖1）的設(shè)計(jì)方法。此問(wèn)題必須引起設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理各方的重視。接受這個(gè)教訓(xùn)。經(jīng)我們認(rèn)真分析研究提出如下對(duì)策：

(1)在消防水和工藝循環(huán)水系統(tǒng)中，建議不使用波形補(bǔ)償器，這樣既可以避免事故又可以降低工程造價(jià)。

(2)建議采用橡膠撓性接頭即不承重又隔振。

(3)如果必須加波形補(bǔ)償器，建議一定要把它放在出口閥門(mén)之后，并加粗泵體與底座之間的聯(lián)接螺栓（地腳螺栓）；或選用高強(qiáng)度螺栓。

以上為本人對(duì)這兩起大型離心泵在特定的安裝使用條件下發(fā)生事故的分析和探討，僅供讀者參考。

1《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》化學(xué)工業(yè)出版社.1985年.

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1672-9323（2011）02-0075-02

2011-01-10）