Насос или трубопровод? Часть 2

В этой статье я надеюсь пролить свет на самые распространенные проблемы с трубопроводами, которые непосредственно влияют на работу насоса. Вы можете изучить, оценить и сравнить свою систему с этими примерами. Мои комментарии относятся к горизонтальным центробежным насосам (не шламовым), которые используются для перекачивания идеальных ньютоновских жидкостей.

Материал и толщина стенок трубы

 

Теперь, когда вы знаете номинальный диаметр труб в вашей системе, какой материал и толщину стенок вы выберите? На самом деле, я мало что могу сказать по этой теме, поскольку большинство людей вполне успешно с ней разбираются. Свойства жидкости диктуют выбор подходящего материала. Предполагаемые диапазоны давления указывают на толщину стенок трубы. Различные значения толщины стенок, материалы и возраст трубопровода меняют характеристики трения в системе. Поэтому важно использовать фактический внутренний диаметр труб с учетом дополнительного трения, возникающего со временем.

 

Расширение и сжатие труб

 

Если ваша система расположения в месте, где температура окружающей среды никогда не меняется (Сан-Диего, штат Калифорния или Лоха, Эквадор) и рабочая температура системы остается постоянной, то проблем практически нет. Однако большинство систем испытывают расширение и сжатие даже при изменении температуры днем и ночью или если рабочий цикл предполагает многочисленные включения/выключения.

 

При нормальной эксплуатации металлическая труба расширяется и сжимается из-за изменения температуры окружающей среды или технологического процесса. Когда труба нагревается, она заметно расширяется, и, разумеется, силе расширения (напряжение/деформация) нужно найти какой-то выход. Без надлежащей компенсации расширение может привести к разрушительным последствиям и полному выходу из строя насоса и системы. Рассмотрим пример: незакрепленная труба диаметром 6 дюймов из углеродистой стали длиной 100 футов при повышении температуры на 200 F выше температуры окружающей среды расширяется на 1,5 дюйма, что легко может привести к силе выше 34 000 фунтов/дюйм2 или около 17,4 тонн.

 

Компенсаторы, установленные в трубопроводе, могут как решить проблемы в системе, так и создать их. Если компенсатор закреплен неправильно, мощные силы могут передаваться непосредственно на фланец насоса. Компенсатор, действующий как сильфон, расширяется под давлением, и результирующая сила заставляет оба конца трубы усиленно раздвигаться. Величину этой силы можно просто рассчитать: F = A x P, где F — это результирующая сила, A - площадь компенсатора, P - давление нагнетания насоса. Например, компенсатор в 8-дюймовой трубе при давлении 100 фунт/дюйм2 вызывает силу чуть более 5 000 фунт/дюйм2 или 2,5 тонны. Большинство насосов не справятся с дополнительной силой в 2,5 тонны на сопло. Компенсатор должен быть таким, чтобы сила отводилась от трубопровода и насоса.

 

Весь трубопровод должен иметь независимую опору, а вес жидкости также должен учитываться при расчетах. Насосы крайне чувствительны ко всем моментам и силам, исходящим от трубопровода. Избыточная сила, воздействующая на насос, приводит к сокращению срока службы подшипников и торцевого уплотнения, а при повышенном уровне - к поломке фланцев и роторов.

 

Трубопровод должен иметь крепления в основных точках, однако между опорой и креплением труб есть существенная разница. Крепление ограничивает осевое перемещение, а опора - нет. Важно помнить, что насос нельзя использовать ни в качестве крепления, ни в качестве опоры. Как говаривал один из моих наставников: "Насос — это самая дорогая опора для трубопровода, которую только можно купить".

 

Рисунок 1. Примеры качественно спроектированных и сконструированных насосно-трубных систем (изображение предоставлено автором статьи)

 

Рисунок 2. Неправильная установка всасывающей трубы

 

Сторона всасывания насоса

 

Большинство проблем с насосами возникает на стороне всасывания (по моей оценке - более 80%). Неправильно спроектированная сторона всасывания, вероятно, отвечает почти за все проблемы с насосами. Если вы регулярно читаете мои статьи, вы уже знаете, как развенчать распространенные заблуждения. Вы также знаете, что насос не может потянуться, достать до жидкости и засосать ее в отверстие рабочего колеса; жидкость не растягивается, ее нельзя притянуть. Доставить жидкость в насос - задача системы всасывания.

 

Лучше, чтобы всасывающая труба была как можно короче и без каких-либо препятствий. При проектировании следует ориентироваться на максимальный имеющийся кавитационный запас, но в то же время обеспечивать наилучший симметричный профиль скорости потока.

 

Поговорим начистоту

 

Более 100 лет производители насосов мечтали получить 5-10 диаметров прямого, свободного трубопровода на стороне всасывания насоса. Десять диаметров означает, что труба диаметром 6 дюймов будет иметь прямой участок в 60 дюймов (10 x 6 = 60). Свободный означает без колен, клапанов, фильтров, тройников и прочего.

 

Это требование/рекомендация иметь 5-10 диаметров свободной трубы на стороне всасывания насоса редко исполняется на строительных площадках, где работа идет в суровых условиях и бешеном ритме.  По ряду причин, включая суммарные затраты, связанные с ограничениями по размеру, доступное пространство и просто недостаток знаний, необходимость в 5-10 диаметрах, как правило, игнорируют и не принимают в расчет в хаосе, царящем при разработке проекта.

 

Должен заметить, что не всем насосам действительно нужно 5-10 диаметров без препятствий на линии всасывания. В большинстве случаев вполне достаточно 3-5. Чем больше мощность всасывания насоса и предварительная закрутка / предварительное вращение потока, тем больше энергии необходимо (см. мою статью за май 2020 года по этой теме).

 

Если ваш насос перекачивает воду комнатной температуры, его мощность меньше 5 л.с., и он работает всего пару часов в неделю, то это требование будет излишним. По мере увеличения энергии всасывания вместе с рабочим циклом, это требование становится все более актуальным. К тому же, чем выше скорость жидкости на стороне всасывания, тем более применимо это требование. Сложно предложить одно общее правило для данной ситуации. Просто помните, что в общем случае чем выше расход, тем выше эффективная мощность, и чем выше скорость жидкости, тем более целесообразно правило 10 диаметров. Эти вопросы также рассматриваются в стандарте ANSI/HI 9.6.62016.

 

Зачем нужны 10 диаметров прямой трубы? Простое объяснение таково: чтобы обеспечить симметрично сбалансированный профиль скорости -  на 360 градусов равномерный ламинарный поток, поступающий в отверстие рабочего колеса насоса. Если профиль потока не сбалансирован, возникнет неравномерная радиальная и осевая сила/напряжение на рабочее колесо, которое передастся по валу на подшипники и торцевое уплотнение. Асимметричный профиль скорости потока также не позволяет рабочему колесу работать с расчетной эффективностью. Цель состоит в том, чтобы устранить неравномерный и часто закрученный (спиральный) профиль скорости потока и обеспечить симметричный профиль со сбалансированным давлением и скоростью потока, подаваемого на рабочее колесо.

 

Как правило, в промышленности принято, чтобы скорость жидкости на линии всасывания была меньше 6 футов/с (1,8 м/с) и уж точно меньше 10 футов/с (3 м/с). Обратите внимание, что рекомендуемое Институтом гидравлики максимальное значение для нешламовых насосов составляет 8 футов/с (2,4 м/с). Есть множество успешных установок с гораздо большей скоростью на линии всасывания, однако я заметил, что практически во всех установках, где возникали проблемы с системой, была высокая скорость на всасывании.

 

При использовании данного подхода к всасыванию насоса (5-10 диаметров прямой трубы без препятствий) следует понимать, что скорость жидкости будет выше, чем в указанных выше рекомендациях; этого следует ожидать, поскольку этот участок трубопровода будет того же диаметра, что и линия всасывания насоса. В качестве компромисса для этого короткого участка можно пожертвовать ограничением скорости ради симметричного профиля скорости потока. Также известно, что дополнительное трение может пагубно сказаться на критически важном значении имеющегося кавитационного запаса.

 

Список использованных источников

 

  1. Стандарт ANSI/HI 9.6.6 2016 - Динамические насосы. Насосные трубопроводы
  2. "Руководство по центробежным насосам (проблемы и их решение)", Сэм Йедидайя
  3. "Руководство по насосам", четвертое издание, Пол Купер, Игорь Карассик и соавторы
  4. "Институт насосов и механических уплотнений", Уильям (Билл) Дж. МакНэлли
  5. "Выбор редуктора для всасывающей стороны насоса", журнал Южноафриканского института гражданского строительства (SAICE), выпуск 56, 3, октябрь 2014 г., Росс Махаффи и С.Дж. Ван Вюрен.

 

Джим Элси - инженер-механик, вот уже 50 лет работает в области проектирования и применения вращающегося оборудования и в основном занимается вопросами надежности почти во всех сегментах промышленного рынка по всему миру. Джим Элси - директор Summit Pumps, член Американского общества инженеров-механиков, Американского общества металловедения, Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов и Военно-морской подводной лиги. Он также является главой компании MaDDog Pump Consultants LLC.

 

Эл. почта для связи с автором: agunnarson@warrencontrols.com.