全密度聚乙烯排料管线振动原因分析及减振改造

姜永亮

（大庆石化公司塑料厂，黑龙江大庆 163714）

0 引言

某化工厂全密度聚乙烯装置有两条排料管线，用于输送聚乙烯粉末至脱气仓，为间歇式气动输料，正常情况下两条排料管线交替工作。该管线2012 年8 月建成投入使用，自投用以来管线振动大，并多次出现管件振裂损坏情况，已经无法满足装置大负荷、长周期安全生产要求。

1 排料管线运行情况

排料管线内输送的主要介质为聚乙烯粉末、乙烯、氮气混合物，密度为0.91～0.96 g/cm3。排料管线开始排料时压力为823 kPa，排料结束时为28.5 kPa。管线材质为20#钢，管线由直径273 mm、壁厚9.5 mm 和直径219 mm、壁厚9.8 mm 两种规格管段组成，各管段间采用法兰连接。

2 对管线进行ANSYS 分析

通过ANSYS 分析软件，根据现场实际测量数据绘制管线单线图并且根据单线图建立分析模型，采用的单元为PIPE16，其中X 轴方向为东偏南方向，Y 轴方向为垂直方向，Z 轴为西偏南方向，模型的基本长度单位与图纸相对应为mm。同时为了方便分析和说明引起振动的原因及振型，按照管线各部分布置特点，将管划分为A、B、C、D、E 五个管段进行分析说明（图1）。管线出口至垂直方向第一个弯头的水平管段为A 段，A 段与C 段间垂直管段为B 段，B 段后方水平直管段为C 段，C 段后方靠近进口垂直管段为D 段，D 段后方水平管段为E 段。

通过振型分析（表1）和ANSYS 软件计算分析得到以下结论。

（1）E 段的振型以15 阶振型为主，振动频率为24.8 Hz，该段高阶能量相对小，振动较小。管段进口弯管处设置限制水平方向自由度的弹簧阻尼，管段两端设置限制垂直方向自由度的弹簧支座，起到了很好的减振作用。该管段虽然压力最高、物料流动速度最快，但是由于合理的减振措施，振动不明显。现场观测情况与分析结果基本一致。

图1 管线模型

（2）A 段的振型以14 阶振型为主，振动频率为21.7 Hz。该管段物料压力低流动速度慢，物料对管线的冲击较小，振动较小，现场观测情况验证了分析结论。

（3）5 阶、7 阶、10 阶振型为B 管段的主要振型，振动频率分别为9.4 Hz、9.4 Hz、14 Hz。B 管段是整条管线最长垂直管段，管段虽然布置有支座，但是支座间距大且都是滑动支座，只对管线水平方向自由度有部分限制作用，所以B 管段的振动比A、E两管段振动大。

（4）C、D 两管段主要振型为2阶、3 阶、4 阶、9 阶、13 阶振型，振动频率为3.2 Hz、4.6 Hz、9 Hz、11.8 Hz、20.9 Hz。这两个管段的共同特点是没有支座和阻尼等减振措施，接近管线入口处物料压力高和流速快，物料经过弯管处流动方向改变对管线冲击大，没有有效的减振措施起到减振作用，所以振动明显。

表1 模态分析前15 阶固有频率统计

3 管线振动原因分析

通过便携式速度传感器对管线送料时的振动数据进行采集，主要测试运行时管线振动情况。由于B 管段位置特殊不具备测量条件，所以选取A、C、D、E 管段法兰为测量点。排料过程如下：排料罐下方排料阀打开后开始排料；当排料管压力下降到设定压力后，排料罐冲压阀门打开开始冲压到设定压力后关闭；重复以上过程至排料完毕。通过现场实际观测，在管线输送物料过程中，当排料阀打开后管线的振动先增大然后逐步减小至静止。当阀门打开后管线的压力增大同时管线振动增大，当阀门关闭后管线振动逐渐减小。结合现场实测数据、振幅（图2）及频谱（图3），分析得出以下结论：管线在整个排料过程中在激振力的影响下作受迫振动。当管线内压力升高时受冲击力增大，振动增大；当阀门关闭后排料结束，管线自下而上做自由衰减运动。管线振动的根本原因是：①输送物料过程中，由于间歇式输送物料管线内压力及介质密度周期性大幅度变化，引起管线自由振动；②物料在输送过程中对各弯管产生各方向冲击引起的管线自由振动及振动叠加。

4 管线减振措施

根据以上对管线振动原因的分析，得出管线的振动原因是物料冲击引起的自由振动和自由衰减振动，需从降低振幅入手，达到减振目的。

图2 管线送料时振幅

（1）减小激振力，即降低输送物料时管内压力变化，由于管线的操作工艺无法改变，因此减小气体压力变化的做法无法实施。

图3 管线送料时振动频谱

（2）增加管线固定支撑，有效吸收振动能量，达到减小管线振动的目的。

针对管线各段的结构特点以及振动原因做以下减振措施。

（1）在每条排料管线地面段水平处设置能够支承和约束管线横向、轴向、垂直方向位移且具有调节功能的支座，确保排料口管道与设备之间保持良好一致的刚度，将大幅振动部位迁移出法兰密集区域。

（2）将原有滑动支架改为弹性阻尼胶墩，约束管线各方向自由度。

5 结语

用ANSYS 软件及测量仪器对某化工厂全密度聚乙烯装置排料管线进行了ANSYS 分析及测量，得到了管线各段固有频率和主要振型，为振动原因分析提供了理论依据。针对振动原因，对两条排料管线进行了减振改造，对低阶频率振幅较大处增加了新型式支撑，新增加的支撑有效降低了振幅，自改造至今未再出现过管件振裂损坏情况，为该装置的安全生产提供了良好的保障。