化工压力管道振动诊断及处理措施

沈勇

【摘要】本文从气流脉动与共振现象两个方面分析了化工装置中管道振动机理，分析管道振动的原因及解决方式；并以笔者参与的化工项目在开车后出现的局部管道的振动问题为例进行分析，提出消除振动的有效措施。

【关键词】化工装置 管道振动 减振措施

压力管道是化工装置中不可缺少的部分，压力管道的安全问题也日益突出，如管道应力问题。管道应力直接关系到管道自身和与其相连的机器、设备、土建结构的安全，由于管道材料本身特有的物理属性，反应条件及环境带来的物理及化学上的影响，严重时甚至会对正常的工作生产造成巨大的经济损失。其中管道振动现象是在管道应力分析中是一个比较突出的问题。

1 基本情况

2 管道振动原因分析

根据管道振动理论，管道、支架和相连设备构成了一个结构系统，在有激振力的情况下，这个系统就会产生振动。振动对压力管道是一种交变动载荷，其危害程度取决于激振力的大小和管道自身的抗振性能。主要影响因素如下：

（1）风荷载引起的管道振动；

（2）地震荷载引起的管道振动；

（3）两相流引起的管道振动；

（4）水锤引起的管道振动；

（5）喘振引起的管道振动；

（6）机械振动引起的管道振动；

（7）往复压缩机和往复泵引起的管道振动。

本装置由于采用的为离心泵，所以由容积式泵或者压缩机产生的振动不予考虑。经过了解泵在开车后运转良好，泵本身未发生自身振动，因此，由机器引起的振动也可以排除。笔者在现场观察时也未听到明显的水击声，所以水锤也基本排除；喘振多发于低速低流量，所以也予以排除。

2.1 从外在荷载影响着手

表1为用CAESAR静态模拟后振动段管道的几个支架所受的力及热位移。表中的数据已经考虑了风及地震荷载，由于风及地震荷载引起的振动一般表现为很强的随机性，而现场为持续振动。同时根据CAESAR模拟后的数据进行对一次应力校核，由风荷载产生的振动对此段管道的影响应该是有限的，但不排除其产生的影响。

2.2 从考虑管道物料的脉动，流速及共振着手

管道内的物料温度呈泡点状态，换热器到离心泵出口有13m高差。泵的变频使得流速加快，使得物料流产生波动。而当中的管道较长，溶液流速高，阻力较大，呈湍流态。当其流经数个弯头及阀门和管件时产生的压降，部分物料极容易由于压降而汽化，且当其通过阀门等节流部位时将不可避免会产生“空穴”现象，进而也造成压力波动，产生两相流现象。

管路内的气体称为气柱，它具有一定的质量和弹性，可以压缩和膨胀。气柱本身具有的频率称为气柱固有频率。在工程上常把（0.8～1.2）f的频率范围作为共振区。当气柱固有频率落在激发频率的共振区内时，发生气柱共振，产生较大压力脉动。管系机械固有频率落在激发频率的共振区或气柱固有频率的共振区时，发生结构共振。

通过CAESAR软件模拟计算，换算成频率后发现刚好在共振区（见表2），改变流量就有可能改变激发频率，进而避开共振区而使振动减小基于这一观点，后来开车测试流量降回设计值时振动果然减弱了。虽然只是测试性质的，但考虑将来的扩产等因素，这并不能从根本上解决振动问题。彻底解决管道振动的途径可采取：改变激发频率或管道的固在频率从现场工艺条件来看，改变激发频率较困难，但改变管道的固有频率则是可能的。

改变管道的固有频率；根据振动理论。复杂管系的运动微分方程为：

[M]{X}+[C]{X}+[K]{X}={f}

式中，[M]为总质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为总刚度矩阵，{f}为干扰力向量，{X}为位移向量，{X}为速度向量，{X}为加速度向量。

由式中可看出，要改变管道系统的振动特性，在{f}不变的前提下只能改变其中的[K]、[M]和[c]，但改变[M]和[c]都较困难，只有改变[K]容易实现，通过增加系统的刚度矩阵[K]，如增设支承、调整支承位置或改变支承性质。通过改变管道支承性质，缩短支承点距离使管道固有频率提高；变弹性支承为刚性支承管，均会使固有频率加大，以达到消振的目的。因管道较复杂，欲使管道系统脱离某阶共振区虽然可以做到，但状态不稳。从振幅的计算结果看，基频共振振幅最大，高阶共振的振幅较小，所以避开低频共振才是解决问题的关键。目前的做法有：调整管道的走向、支承位置、支承结构及管道结构尺寸等，将系统的固有频率调高到激振力主频率的2.8～3.0倍以上。对管道的走向和结构尺寸，由于现场条件和工艺条件的限制无法改变，同时考虑可能存在的两相流因素，则通过改变约束条件来改变系统的固有频率是最为经济和合理的。故此，在128节点增加四个方向的限位管架，把136的弹簧支架改为刚性支撑，再用软件模拟计算管系受力情况，及固有频率和振型。改动后见图2。

图2 改造后模型

3 结语

经增加及改变管道支撑等实际操作后，管道振动状况已经明显好转，由于物料饱和态为工艺需要，无法改变，所以管系尚有轻微颤动，但振幅已经明显降低，管道振动的改变方案是基本成功的。

参考文献

[1] 唐永进.压力管道应力分析[M].中国石化出版社，2003.11

[2] 中国石化集团上海工程有限公司[M].工艺设计手册.2003年第三版化学工业出版社，2003，7