Проектирование и установка рамы (плиты основания) насоса (baseplate)

Рассмотрим следующие варианты проектирования и установки рамы для решения проблем соосности и нагрузок от трубопроводов в центробежных насосах

Общее описание

Рамы (baseplates) для большинства центробежных насосов обычно воспринимаются как нечто само собой разумеющееся и эволюционировали в привычные стальные или чугунные конструкции, которые поддерживают насос и привод.

Дополнительно иногда применяются предварительно изготовленные бетонные основания и литые эпоксидные конструкции.

Однако полезно рассмотреть функции рамы, чтобы можно было оценить альтернативы традиционным решениям.

Основные функции рамы насоса:

1. Поддержка веса насоса и привода
2. Обеспечение соосности валов насоса и привода для корректной работы гибкой муфты
3. Восприятие сил от собственного веса и от трубопроводов, которые могут вызывать недопустимое смещение валов
4. Ограничение перемещений из-за теплового расширения насоса или привода, которые также могут вызвать несоосность
5. Сбор утечек или проливов из насоса при работе или обслуживании с возможностью отвода в дренажную систему
6. Частичная защита насоса и привода от повреждений, например, погрузчиками
7. Демпфирование шума и вибраций, возникающих в насосе и приводе

Рассмотрим эти функции подробнее и возможные альтернативные решения.

Поддержка веса насоса и привода

Для большинства насосов мощностью до ~250 л.с. поддержка веса не является критической задачей, и возможны различные варианты:

• Насосы с жесткой связкой (close-coupled) (рис. 1) требуют минимальной опорной конструкции.
  Насосная часть опирается через крепление к двигателю, а суммарный вес агрегата может поддерживаться практически любой конструкцией — пол, бетонная плита, стальная балка типа двутавра и т.п.
  В большинстве случаев не требуется существенное механическое крепление, например, фундаментные болты.

Рис. 1 — Моноблочный Насос с жесткой связкой (close-coupled pump)

• Вертикальные линейные насосы (vertical in-line) — как с жесткой связкой, так и с раздельной муфтой (рис. 2) — позволяют передавать вес насосно-моторного агрегата на трубопровод.

Вертикальная ориентация сохраняет центр тяжести агрегата на оси трубопровода, тем самым устраняя крутящие нагрузки на него.

Если трубопровод не способен нести вес агрегата, корпус насоса может опираться на пол, бетонное основание или другую конструкцию.

Обеспечение соосности муфты

При отсутствии нагрузок от трубопроводов обеспечение соосности муфты является относительно простой задачей.

Механическое соединение между насосом и приводом должно:

• удерживать агрегат,
• воспринимать крутящий момент,
• компенсировать возможные деформации от передачи мощности.

Наиболее распространенные решения:

• Простая конструкционная рама
• Наиболее распространённый вариант — перевёрнутый стальной швеллер (рис. 3) 

Рисунок 2 — Вертикальный насос линейного (инлайн) исполнения.

Рисунок 3 — Опорная плита из гнутого профиля.

Рисунок 4 — Гидравлические силы, действующие на патрубки насоса.

• Насосы с фланцевым креплением, широко применяемые в вертикальных линейных (инлайн) конструкциях (рис. 2).
• Насосы с жестким соединением (моноблочные) (рис. 1).

Восприятие нагрузок от трубопроводной системы

Наиболее серьёзной проблемой при обеспечении соосности валов муфты является воздействие нагрузок со стороны присоединённого трубопровода. Эти нагрузки могут быть значительными и изменяться во времени, вследствие чего их невозможно полностью компенсировать повторной центровкой насосного агрегата после монтажа трубопроводов.

Для иллюстрации масштабов проблемы следует отметить, что в стандарте API 610 для центробежных насосов приведены допустимые значения сил и моментов, действующих на присоединительные патрубки насоса.

Допустимые нагрузки на патрубки насоса:

Следует учитывать, что указанные значения относятся к каждому патрубку отдельно. Таким образом, суммарные нагрузки на насос определяются как сумма нагрузок на всасывающий и напорный патрубки.

Восприятие указанных нагрузок представляет значительную сложность и требует обеспечения достаточной жёсткости как конструкции насоса, так и его опорной плиты.

Для снижения нагрузок иногда применяются компенсаторы температурных деформаций (компенсаторы расширения). Однако в ряде случаев их применение может приводить к ухудшению условий работы. При использовании неограниченных (нефиксированных) компенсаторов на насос действует дополнительная гидравлическая сила, равная произведению давления на площади сечения трубопровода.

На рисунке 4 показано, что величина этих гидравлических сил может превышать значения, установленные стандартом API 610, даже при сравнительно низких давлениях.

Давление (psi) может вызывать силы, во много раз превышающие нагрузки от деформаций трубопроводов. Эти силы, действующие на насос, могут быть уменьшены за счёт применения стяжных тяг на компенсаторе (рис. 5). Однако даже при наличии стяжек температурное удлинение трубопровода приводит к разгрузке тяг, вследствие чего возникает гидравлическая осевая сила, действующая на патрубок насоса.

Может возникнуть вопрос: «Если требуются стяжные тяги, зачем тогда применять компенсатор?» Ответ заключается в том, что они всё же позволяют снизить изгибающие моменты.

Рисунок 6 – варианты насосов с установкой двигателя на фонаре с и Карданным валом

Рисунок 7 – Насос с креплением по оси

При наличии нагрузок от трубопроводов возможны следующие решения:

• Опорная плита с достаточной жёсткостью, закреплённая на фундаменте и залитая выравнивающим раствором (подливкой). Это наиболее распространённое решение.
• Самонесущая опорная плита повышенной жёсткости, обеспечивающая сохранение центровки без жёсткой связи с фундаментом. Такие плиты могут устанавливаться на салазках или пружинных опорах.
  Преимущество — снижение нагрузок от трубопроводов: при горизонтальном тепловом расширении трубопроводов перемещается вся установка, а не возникает нагрузка на насос. Вертикальные нагрузки могут компенсироваться пружинными опорами.
  При этом необходимо обеспечить достаточную жёсткость для сохранения соосности муфты.
• Вертикальные насосы линейного исполнения (in-line) позволяют исключить проблему нарушения центровки.
  При раздельном соединении (рис. 2) нагрузки от трубопроводов или перемещения корпуса насоса не влияют на соосность муфты. Фланцевое крепление двигателя и жёсткая опора обеспечивают стабильную центровку. Кроме того, нагрузки не передаются через опору двигателя на корпус насоса.
• Применение карданных муфт (универсальных шарниров) для повышения гибкости между насосом и приводом.
  Такой подход широко используется в вертикальных насосах для водоснабжения и канализации, где привод размещается выше уровня насоса (например, для защиты от затопления).

🌡️Тепловое расширение насосов

При температурах эксплуатации выше 800 °F (например, в нефтеперерабатывающей промышленности) тепловое расширение корпуса насоса становится значительным и может приводить к смещению вала и нарушению соосности муфты.

Проверенное решение — опора насоса по оси вала (по центральной линии вала) (рис. 7). Это позволяет корпусу свободно расширяться в вертикальном направлении без влияния на положение вала.

При этом горизонтальное расширение должно компенсироваться за счёт податливости опор.

Пример расчёта теплового удлинения:

• Длина между опорами: 17,25 дюйма
• Коэффициент линейного расширения: 6,33 × 10⁻⁶
• ΔT = (870 − 70) °F

Результат:

• Полное удлинение: 0,087 дюйма
• На одну опору: 0,0435 дюйма

Если крепление осуществляется двумя болтами диаметром 3/4 дюйма, при напряжении 20 000 psi допустимая сила составляет:

• ≈ 22 000 фунтов

Даже при такой жёсткости возможны микроперемещения (проскальзывание) в опорах.

Рисунок 8 — Деформация (прогиб) опор опорной плиты.

Рисунок 9 — Опорная плита на инерционном бетонном основании.

…между опорным фланцем и стойкой (опорой). При использовании установочных штифтов для фиксации корпуса насоса возможно их деформирование под действием значительных усилий от теплового расширения.

С другой стороны, опоры с недостаточной жёсткостью не способны воспринимать нагрузки от трубопроводов и обеспечивать требуемую соосность муфты.
Например, для насоса с напорным патрубком 8 дюймов и всасывающим патрубком 12 дюймов суммарная боковая нагрузка составляет:

F = 850 + 1500 = 2350 фунтов.

При равномерном распределении нагрузки на две опоры это вызывает прогиб около 0,0025 дюйма, что допустимо по API, однако показывает необходимость точного подбора жёсткости опор:

• чрезмерная жёсткость препятствует тепловому расширению корпуса;
• недостаточная жёсткость приводит к нарушению центровки из-за нагрузок трубопровода.

Альтернативные решения аналогичны ранее рассмотренным:

• жёсткие опорные плиты без жёсткого крепления к фундаменту;
• насосы линейного исполнения (in-line);
• карданные муфты. 

🔧 Утечки через уплотнения и корпус

Основными источниками утечек являются:

• сальниковая набивка или торцевое уплотнение;
• утечки масла из подшипниковых узлов;
• операции обслуживания и ремонта.

При перекачивании жидкостей, отличных от воды, утечки обычно не испаряются и должны собираться и отводиться.

Применяются следующие решения:

• Сборники утечек сальникового узла, предназначенные для отвода агрессивных сред до их попадания на опорную плиту и предотвращения коррозии.
• Поддон под насосом, охватывающий всю установку (включая патрубки), для сбора неагрессивных утечек и удобства обслуживания.
• В насосах линейного исполнения корпус частично выполняет функцию сборника, однако требуется дренажный уклон для отвода жидкости.
• Бессальниковые насосы устраняют утечки через уплотнения, но не исключают утечки при ремонте.

🛡️ Механическая защита

Опорная плита горизонтального насосного агрегата должна:

• выходить за габариты насоса и двигателя;
• перекрывать область фланцев и подшипниковых узлов;
• обеспечивать защиту элементов привода и электрооборудования.

Для вертикальных насосов линейного исполнения применяются защитные конструкции или бетонные площадки под фланцем.

🔊 Шум и вибрация

Центробежный насос в процессе работы создаёт шум и вибрацию.
Функции опорной плиты:

• предотвращение передачи вибрации на строительные конструкции;
• снижение воздушного и структурного шума.

Рекомендуемые меры:

• исключение жёсткой связи с металлическими конструкциями здания;
• применение инерционных бетонных оснований;
• использование виброизоляторов;
• повышение жёсткости элементов для исключения резонанса.

📌 Выводы

Ввиду разнообразия конструкций насосов универсальные рекомендации ограничены, однако:

• по возможности следует применять жёсткие опорные плиты, несмотря на существенно более высокую цену;
• целесообразно использовать моноблочные или насосы линейного исполнения;
• необходимо избегать нефиксированных компенсаторов. 

✔️ Терминологическое уточнение

• in-line pump → насос линейного исполнения (нормативный перевод)
• stuffing box → сальниковый узел
• mechanical seal → торцевое уплотнение
• baseplate → опорная плита