化工工程中振动管道的设计浅析

徐进（巴斯夫（中国）有限公司 上海 200233）

在化工生产装置中,管道系统的振动有多种来源,管道设计过程中需要重点考虑的振动现象有以下几种:往复式压缩机及往复泵，气液两相流体，水击，压力泻放的反作用力等。在管道设计中，应根据振源不同，合理考虑振动管道的应对措施，在完成初步设计后，及时用应力分析软件进行动态应力分析，根据分析结果来确定是否需要对管道系统进行更改。本文主要介绍了振动管道的设计方法，动态应力分析的详细计算过程本文不做介绍。

一、往复式压缩机/泵周边管道系统的设计

以下为起振力的计算公式可以用来判定振源。当管道断面积比为σ，起振力为：FX=Q(1-)

Q----流量，cm3/s

γ----流体比重，kg/m3

g-----重力加速度，cm/s2

υ----流速，cm/s

当流速υ为脉冲流时，即产生起振力，产生振源。往复式设备周边的管道，由于内部流体的压力脉动产生的振动会导致管道、管件及支架的疲劳腐蚀，同时也会因振动导致设备的性能降低，能耗增加。因此在设计阶段，应该合理的对管道系统进行评估并制定措施来防止管道过度振动。往复式压缩机周边管道的设计，应注意以下几方面。

管道支架的合理设计有利于减少压缩机周边管道的振动。对于压缩机房内的管道，管道支架应该独立于压缩机基础和压缩机房的地面，以防止振动传递给管道。同时采用高刚性的支架，以保证支架自身不会产生振动。通常振动更易发生在弯头、阀门、减压阀、调节阀、止回阀等载荷集中的部位，所以支架应尽可能就近布置。对于管道系统的空间布置，在满足应力分析的要求下，应尽可能的短、直，以增强管道的刚性，同时管道上小管径分支管如放净管，放空管及压力表接管等位置应该用三角板补强，防止因为振动产生的疲劳断裂。

在振动管道系统的设计中，应防止压缩机的振动与管道系统产生共振。通常通过改变管道的空间走向来改变管道系统的固有振动频率，通过设置等间距的支架可以有效地避免管道系统与压缩机形成共振。

在对管道系统动态应力分析后，如果结果超过许用范围,则需要对管道设计进行更改，通常考虑以下几点：更改管道系统的空间布置，增加管道壁厚，更改支架设计，增加软管来隔绝机械振动，设置脉动衰减器，加装限流孔板，及增大缓冲罐的容积等。在更改管道设计后，应重新进行动态应力分析。管道空间走向的修改，需要脉冲及振动分析。管架位置的更改只需要进行振动分析。

二、两相流管道系统的设计

两相流管道系统，即管道内的流体同时包含气液两相，会产生振动的两相流通常分为柱状流、塞状流、泡沫流。在化工生产中两相流发生的原因较多，因此在管道设计中，应提前判断并采取有效的措施。以下为可能产生两相流的情况；

1.明火加热装置的出口管，当温度波动时，会导致流体过热、汽化，产生两相流。

2.换热器的出口管，当进入换热器介质的流量减少时，换热器出口的温度可能高于设计温度，导致两相流出现。

3.产生较大压降设备（如调节阀，输水器，限流孔板）的下游管线，可能出现流体的闪蒸而导致两相流。

针对上述情况，在管道系统设计中应考虑：两相流管道系统的空间布置应尽可能短和简洁，避免管道的柔性过大。对产生较大压降设备，要尽可能布置在地面上，以免与化工装置的钢结构或混凝土结构发生共振，如果下游管线连接到塔或储罐，则该设备应尽可能的靠近塔或储罐的进口。如果设备下游有弯头，则应该保证两者之间有至少500mm的直管段，以避免再次发生扰流。对于高速流体，流速的波动会在弯头及支管处产生振动，所以弯头处的支架要有足够的强度来应对。同时可以通过设置相同间距的支架来避免共振。

三、发生水击管道的设计

水击是当管道中流体因为快速操作产生的流速的急剧变化而引起的压强的大幅波动。典型案例是当流体管道上的阀门快速关闭时，上游靠近阀门位置的流速降为零，导致压强增大，增压波随后被阀门反弹上行,到达上游末端后再以常压波下行至阀门。此后不断重复上述过程。水击的压强和导致的振动，会对管道及设备产生损害，严重时会导致管道爆裂，甚至对建筑结构产生损害。因此，要找出水击发生的位置,加以分析,并在设计阶段采取合理的应对措施。根据以往的经验，以下列情况会导致水击出现：

1.进料阀和事故控制阀在终止进料或事故状态时的快速关闭。

2.泵突然停止后，泵出口的止回阀为防止物料倒流而快速关闭。

3.雨淋阀或安全阀等在开启时，流体快速流入空管中。

4.出口管道较长或通往高位储罐的泵，突然停止时。

5.当换热器布置在泵出口管的高位时，泵快速启动时。

6.当泵出口切断阀布置在离泵较远的高位时。

7.蒸汽管道上关闭的阀门再次打开时。

在管道设计中，应与工艺专业确认上述情况的存在，并在设计中考虑以下应对措施，对于快速关闭的阀门，应采用延长阀门的关闭时间或关闭的方式（如分级关闭）来减少水击。如果预算及空间允许，在阀门上游设置压力泻放阀和缓冲罐，并在阀门附近设置高强度的支架来抵抗水击。对于泵的出口管道，应采用强度较好的止回阀，如双瓣式止回阀；泵出口的切断阀应靠近泵出口布置，并在阀门的上下游设置小流量旁路。对于有可能产生水击的管线应避免较长的直管段，导致增压波加速时间过长。蒸汽管道的阀门，上下游应装输水阀，防止凝液积聚。而对于消防的雨淋阀，以在上游加装限流孔板，这样可以降流体在下游的流速，避免水击发生。

四、安全阀、自控阀开启的反作用力

当紧急状态下安全阀开启时，流体从安全阀出口快速喷出，产生的反作用力同时施加给安全阀入口及出口管道。因此必须对安全阀进行应力校核，合理的设计管道支架及对管道系统进行补强，来避免反作用力对管道的损害。当安全阀出口对空排放时，通常有较长的立管，受力更大，所以在出口弯头处要设置支架，并在立管上增加导向支架。如果安全阀入口管径较小（如小于DN40），则应考虑对入口管增加补强板，同时将管架就近布置，减小反作用力产生的振动。

自控阀，尤其是开关阀开启时产生的反作用力同样会导致管道系统振动。因此，应将自控阀组布置在地面，以便抵御反作用力及振动。如果布置在操作平台上，则平台上的支撑要进行核算，保证足够的强度。自控阀的支架应合理布置，来保证对调节阀的支撑。通常的做法是在调节阀下游就近布置固定支架，然后在上下游的第一个弯头处设置导向支架，这样可以有效的降低自控阀产生的振动。

除上述四种情况外，以下同样会产生管道振动的情况常被忽略；在包含泥浆和粉体的管道中，粉体堵塞或介质在管道内部变硬，导致流动不畅，引起管道振动，需要与工艺专业协商，考虑清洗方案或吹扫方案。同时须注意管道系统中的温度骤变，当高温介质快速流入低温介质时会产生剧烈振动。蝶阀被用来控制流量时（例如，换热器冷却水进出口的蝶阀），气穴会在阀门蝶片处产生，通常来讲，阀门开度不应小于30%，否则容易产生气穴导致振动。对于液封设备，当气体鼓入液体中时，因为鼓泡产生的压力波动，会对连接的管道产生振动。当有上述情况存在时，管道设计可以参考上述的方法，以避免管道系统受到损害。

小结

对振动管道系统的设计，主要是为了以下目的：1）防止振动对管道元件和材料产生的应力过载及疲劳腐蚀。 2）防止振动导致的设备性能下降 3）防止振动对日常的生产操作产生影响。化工生产装置中的管道振动已经在工程设计领域越来越引起重视，尤其是在高压、加氢、聚合装置中，合理的振动管道设计可以有效的减少因管道、支架及设备破损等导致的生产事故。作为生产装置的安全性、运行的可靠性和保证长周期运行的要求，脉冲与振动的控制在化工工程设计中已成为管道设计的重要组成部分。

[1]化工工艺设计手册第四版 化学工业出版社.

[2]工艺管道 2012年版美国机械工程师协会 ASME B31.3.