塔底强制循环泵入口管道防振设计

第 4 6卷第 6期 2 0 0 9年 1 2月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T P I P I N G o l 4 6 No 。6 De c 2 0 09 塔底强制循环泵入 口管道 防振设计 苑野， 王萍 ( 中国石油工程设计有限责任公司东北分公 司 ， 吉林省 吉林市1 3 2 0 0 2 ) 摘 要：1 3 0 k t a丙烯酸及酯装置分馏塔塔底物料出口至泵入 13 的管线振动， 管内流体的频率和管道结构的固有 频率相近是产生振 动的原因。提 高管道结构的 固有频率 ， 使管 内流体的频 率和管道 结构的 固有频 率错 开 ， 可避免 管道振动。设 计 了调整 管道元件分布和增加减振 系统两种方案 ， 比较确定更加合理 的方案。选用增加减振 系统方 案 ， 方案 实施后 ， 管线没有发 生振动现 象。 关键词 ：管道 防振设计 ； 固有频率 ； 刚度 ； 振 型分析 中图分类号 ： T Q 0 5 5 8 1 文献标识码 ： B 文章编号 ：1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 0 9 ) 0 6 - 0 0 4 8 - 0 3 Se i s mi c De s i g n o f Pi p i ng Co n ne c t e d wi t h I n l e t o f Cy c l i c Pump a t Bo t t o m o f To we r YUAN Ye， W ANG Pi n g ( No r t h e a s t B r a n c h，C h i n a Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g De s i g n C o ，n ，J i l i n 1 3 2 0 0 2，C h i n a) Abs t r ac t：Th e v i b r a t i o n wa s o c c n l T e d i n t h e p i p i ng whi c h c o n ne c t i n g t he o u t l e t a t t he bo t t o m o f t h e d i s t i l l a t i o n c o l u n l n，hi c h i s us e d i n a c Ql i c a c i d a nd e s t e l-u n i t ，wi t h t he i n l e t o f p u mpThe n l a i n c a u s e wa s t h a t t h e flo w r a t e o f t h e flu i d i n t h e pi p i n g wa s q u i t e c l o s e d t O t h e i n h e r e nt fre q ue nc y o f t h e p i p i n gTh u s，t h e v i b r a t i o n c a n b e a v o i d e d wh e n t he i n he r e nt fre q u e n c y o f t h e p i p i n g wa s c h a n g e d S O t h a t i t i s d i f f e r e n t f r o m t h e fl o w r a t e o f t h e fl u i d T w o s c h e m e s w e r e d e s i g n e d O n e i s t o a d j u s t t h e fi t t i n g s i n t h e p i p i n g ， a n d t h e o t h e r i s t o a d d a d a mp Afte r t h e c o mpa r i s o n，t h e s c h e me o f a d di n g d a mp i s s e l e c t e d 1 g q l e n t h i s s c h e me i s u s e d，t h e r e i s n o v i b r a t i o n o c cu r r e d Ke y wo r d s： v i b r a t i o n p r o t e c t i o n de s i g n f o r p i p i ng； i n h e r e n t fre q u en c y； s t i f f n e s s ； v i b r a t i o n mo de a n a l y s i s 1 工况介绍 1 3 0 k t a 丙烯酸及酯装置采用丙烯气相两步氧 化法制丙烯酸工艺 ， 生产聚合级丙烯酸及丙烯酸甲 乙酯和丙烯酸丁 辛酯 。 在丙烯酸装置精制单元 中， 分馏塔塔底再沸器 采用泵强制循环。由于设 备布置紧凑 ， 管道柔性不 足 ， 在泵进出口管线的竖直管上安装金属波纹管 ， 增 加管道柔性 ， 以保证设备管 口荷载满足要求。分馏 塔塔底物料出口管线位置较高 ， 管道周围无建 、 构筑 物， 管道支架不宜生根， 近 1 0 0 0 0 m m管线没有设计 管道支架。在分馏塔塔底物料出口至泵入 口的管线 上 ， 位于地面靠近泵入口的弯头上设计一个导 向支 架 ( 见 图 1 ) 。 水联动试车阶段， 分馏塔塔釜 、 再沸器及泵进出 口管道充满水。当启动泵其负荷达到大约 3 0 时， 分馏塔塔底物料 出 口至泵入 口的管线 出现振动现 象 ， 金属波纹管附近振幅较大 ， 水联 动试 车无法进 行。管线内的工艺介质为粗丙烯酸水溶液 ( 大部分 图 1 泵入口管线示意 为水) ， 其物料性质与水相似 ， 装置正常运行时 ， 管 线仍会 出现 同样 振 动现象。迅速提 高负荷 ， 减 少 3 0 左右负荷持续时问， 可使管道从振动 中逐渐恢 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 4 3 0 ； 修 回日期 ： 2 0 0 9 - 0 8 2 6 作者简 介： 苑野( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 吉林省 占林 市人 。 高级工 程师 主受 从事石油化工设 计工作 。 2 0 0 9年 1 2月 苑野 ， 等 塔底 强制循环 泵入 口管道防振设计 4 9 复到静止 ， 但产生振动及振幅较大 ， 管道膨胀节将无 法承受 。 采取相应的措施 ， 防止管道振动 ， 是妥善解决问 题的关键。 2 产 生振动 的原 因 石油化工装置中 ， 压力脉动流体沿管道输送时 ， 遇到弯头 、 异径管 、 控制阀等元件 ， 将产生 随时 间变 化的激振力 ， 受此激振力的作用 ， 管道结构及 附件可 产生一定的机械振动响应 ， 这是管道振动 的原 因之 一 。管道振动的另一原因是共振 ， 管内流体流动具 有一定的频率 ， 管道结构本身也具有一系列 固有频 率 ， 当管 内流体 的频率 和管道结构 的固有 频率相接 近时， 便会产生共振 现象 。另外 ， 转动设 备机组 本身的动平衡性能差 、 安装不对中、 基础设计不当等 也可引起机泵振动， 从 而使与之相连的管道发生振 动。水锤 、 安全阀泄放 、 调节阀启闭等也可产生管道 振 动 。 强制循环泵人 口管道没有激振源 ， 不应是压力 脉动引起管道振动 。水锤 、 安全阀泄放 、 调节阀启闭 等原因也不存在。通过现场实际勘查 ， 泵运行稳定 ， 造成强制循环泵入 口管道振动的原因是共振。管道 系统 中水处于静止状态 ， 当开启泵时 ， 水从静止缓慢 流动 ， 随着泵负荷逐渐加大 ， 水的流动速度加快 ， 水 流体的频率逐渐地接近管道结构某阶固有频率 ( 管 道结构本身具有一 系列固有频率) ， 管道 系统开始 振动 ， 水流体的频率和管道结构固有频率越接近 ， 管 道系统振动越强烈 。当泵负荷进一步加大， 水流体 的频率越过管道结构某 阶固有频率后 ， 管道系统就 不会振动。 防止强制循环泵人 口管道振动 ， 可通过改变水 流体频率或管道结构固有频率 ， 使两者的频率错开 。 水流体频率与管径 、 泵 的流量 、 扬程等有关 ， 改变系 统这些特性很困难。改变管道结构 固有频率 比较简 单 ， 增加管道系统 刚性 即可。 3 管道结构 固有频率计算及振型分析 对于复杂管系， 一般使用计算机程序计算管道 结构 固有频率 ， 分析结果见表 1 。 频率 5 4 5 3 H z和 5 4 9 4 H z虽然很低 ， 其仅 与 分馏塔塔顶振动有关 ， 不影响分馏塔塔底物料 出 口 至泵人 口的管线振动。通过现场实际勘测和振型分 析 ， 频率 7 1 1 1 H z和 7 7 8 9 Hz与现场管 系振动相 吻合 。水流体流动速度逐渐加快 ， 水流体 的频率接 近管道结构 7 1 1 1 H z和 7 7 8 9 H z固有 频率 ， 管道 系统开始振动。 表 1 原管道结构 固有频率 4管道防振设计 4 1 调整管道元件分布 管道结构 固有频率与管道系统的刚度有关 ， 刚 度越大固有频率越高。调整管道系统刚度 ， 也就是 调整管道结构 固有频率。管道公称直径 、 管道壁厚 、 管道元件分布和管道支架状况等直接影响管道系统 刚度 。 对于分馏塔塔底物料 出口至泵人 口的管线 ， 管 道公称直径和管道壁厚由工艺条件确定 ， 不易改变 。 分馏塔附近没有建 、 构筑物 ， 管道支架不宜生根 ， 调 整管道支架状况 ， 具有很 大困难 。金属波纹管处于 管道系统的中间， 且布置在竖直管道上 ， 造成 了管道 系统柔性过大 ， 固有频率过低 。调整金属波纹管位 置 ， 将它设计在泵入 口水平管道上( 见图 2 ) ， 重新计 算管道结构 固有频率 ， 计算结果见表 2 。 表 2 调 整金属波纹管位置后 的管道结构 固有频 率 分析数据可知 ， 经过调整金属波纹管位置 ， 管道 系统刚度增大， 管道结构 固有频率随着改变 。与现 场管系振动相吻合 的频率 7 1 1 1 Hz 和 7 7 8 9 H z已 5 0 化工设备与管道 第4 6卷第6期 不存在。频率 5 4 5 3 H z和 5 4 9 4 H z 依然仅与分馏 塔塔顶振动有关 。对于分馏塔塔底物料出口至泵人 口的管线 ， 基 频应 为三 阶频率 ， 且 数 值为 1 1 1 2 3 Hz 。一般地 ， 工程上应满足管道结构的最低 固有频 率不得小于 8 H z _ 2 ， 重新设计的管道布置满足了这 一 要求 ， 分馏塔塔底物料 出口至泵入 口的管线就不 会产生振动。 图 2 调整后 的金属波纹管位置 4 2增加减 振 系统 化工装置管道系统大多数具有 一定 温度 和压 力 ， 连接转动设备或压力容器。满足管道静应力分 析 ， 需要管道系统具有足够的柔性。当管道系统柔 性系数过低时， 管道结构 固有频率 偏低 ， 易产生振 动。防止管道系统振动， 需要管道系统刚度大 ， 管道 结构固有频率越高越好。管道静应力分析和防止管 道系统振动所采用设计方法相互矛盾 ， 妥善处理这 一 矛盾 ， 提 出合理的设计 ， 既能满足静应力分析要 求 ， 管道又不发生振动， 这是设计所追求的。管道系 统运行条件苛刻时 ， 设计方案不能同时满足两者要 求 ， 可采用减振阻尼器解决这一矛盾 ： 当管道随温度 变化发生热胀冷缩现象时 ， 管道的空 间位置缓慢变 化 ， 减振阻尼器可随其变化 ； 当管道发生振动时 ， 管 道的空间位置迅速变化 ， 减振阻尼器可立刻阻止这 种变化。汽车上的安全带就是这个原理。 经过管道系统振型分析 和现场实际勘测 ， 可在 分馏塔塔底物料 出口至泵入 口管线上 ， 金属波纹管 位置的上方， 加装减振阻尼器 。由于管道振幅较大 ， 频率较低 ， 全方位摆动 ， 故选用三个额定荷 载为 1 8 k N的减振阻尼器 ， 构成立体减振阻尼系统。加装减 振阻尼器后， 管道结构固有频率计算结果见表 3 。 将该数据同调整管道元件分布后的数据相 比较 可知 ， 加装减振阻尼器后， 同样剔出了与现场管系振 动相吻合的频率 7 1 1 1 H z 和 7 7 8 9 H z 。对于分馏 塔塔底物料出 口至泵入 口的管线 ， 基频应为三阶频 率 ， 且数值提高到 1 2 8 5 0 Hz 。 表 3 加装减振 阻尼器后的管道结构固有频率 4 3 方案比较 采用调整管道元件分布的方案 ， 不用架空设置 管道支架 ， 塔周围管道布置整洁， 便于设备检修。由 于调整金属波纹管位置 ， 将它设计在泵入 口水平管 道上 ， 受结构 尺寸限制， 金属 波纹 管只能选 用通用 型 ， 其产生的盲板力高达 1 4 2 k N。在泵入 口管线的 第一个弯头上设计的导向支架 ， 必须能够抵御 1 4 2 k N的水平推力 ， 需要重新预埋较大基础墩。另外 ， 还需订购通用型金属波纹管一 台。 加装减振阻尼器方案 ， 施工周期短 ， 仅焊接三个 支架即可。减振阻尼器只能生根于周围塔裙座上 ， 减振阻尼器的加长杆过长， 现场感观较差