丁烯離心泵和柱塞泵的管道振動分析及阻尼減振研究*

陳 果，何立東，韓萬富，裴正武

（北京化工大學(xué)診斷與自愈工程研究中心，北京100029）

0 引言

在石化企業(yè)中，離心泵和柱塞泵是應(yīng)用廣泛的一種機械設(shè)備，其附屬管線由于長期工作在振動交變載荷作用下，常常會因為疲勞而造成損壞，嚴(yán)重的甚至?xí)斐蓹C泵整機的報廢。因此，必須對其進行分析研究，并加以處理，使機泵系統(tǒng)處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，以延長機泵使用壽命［1］。

遼寧某廠車間一裝置中對原料丁烯進行加壓的離心泵和后續(xù)增壓柱塞泵進出口管道存在振動過大問題，本研究通過對離心泵和柱塞泵進出口管道振動頻率及振幅進行測量，運用CAESARⅡ軟件對管道進行模態(tài)計算分析；根據(jù)管道模態(tài)計算分析結(jié)果，運用管道阻尼減振技術(shù)在管道上的合適位置安裝阻尼器，以對其進行減振。

1 阻尼減振技術(shù)原理分析

管道系統(tǒng)在任意時刻的能量方程為：

Et=Es+Ef

式中：Et—振動過程中輸入給管道系統(tǒng)的能量，Es—管道系統(tǒng)自身的耗能，Ef—附加耗能構(gòu)件（如阻尼器）的耗能。

從能量守恒觀點分析，Et一定時，增大阻尼器的耗能Ef，管道系統(tǒng)自身振動能量Es將減小，管道系統(tǒng)振動降低［2］。

阻尼器是一種應(yīng)用廣泛的耗能減振設(shè)備，其內(nèi)部有活塞桿和大量粘滯性阻尼液。當(dāng)阻尼器與管道連接后，管道振動傳遞到阻尼器中的活塞，使其在高粘度阻尼液中產(chǎn)生相對運動，運動過程中產(chǎn)生了強大的摩擦力和剪切力，來阻礙阻尼器活塞的相對運動，活塞把阻尼液提供的阻尼力反饋給管道，相當(dāng)于增加了整個管道系統(tǒng)的阻尼，該過程中阻尼器把管道振動的機械能轉(zhuǎn)換為熱能而耗散掉，因此系統(tǒng)振動能夠被有效抑制，最終達到減振的目的［3-7］。

2 離心泵進出口管道振動改造

2.1 離心泵進出口管道振動情況

遼寧某廠車間加壓離心泵進出口管道實際分布如圖1所示。管道規(guī)格為Φ 219 mm×8 mm，介質(zhì)為丁烯氣體，介質(zhì)溫度為90 ℃～120 ℃，離心泵轉(zhuǎn)速是2 940 r/min，揚程是55 m水柱，把初始壓力為0.55 MPa的丁烯氣體提高到1 MPa。

圖1 離心泵進出口管道實際分布圖

裝置自運行以來，由于離心泵進出口管道的位置高度差為3.5 m，介質(zhì)輸送過程中勢能與動能迅速發(fā)生較大轉(zhuǎn)化，至使介質(zhì)流速發(fā)生急劇變化，同時該部分管道在較小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了11個彎頭，并且為了滿足同時為兩臺離心泵提供介質(zhì)，管道采用2 個倒T 型分支管，介質(zhì)流過彎頭和T 型管時容易引起介質(zhì)流速和流向均發(fā)生急劇變化、管道內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力脈動，對管道產(chǎn)生較大沖擊，致使離心泵進出口管線振動強烈。試車時，筆者發(fā)現(xiàn)主管道多處位置的振動幅值超過0.6 mm，離心泵進口處直徑50 mm的支管振幅達到2.4 mm，均已達到美國普度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定危險區(qū)域，必須進行減振處理。當(dāng)前，為了控制管道的振動，筆者在管道的出口處使用了木頭對管道進行固定約束，但是管道的強烈振動經(jīng)常將固定用的木頭振松，使設(shè)備在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)很大的安全隱患。

2.2 離心泵管系的模態(tài)分析

根據(jù)現(xiàn)場對管道尺寸的測量數(shù)據(jù)，本研究運用CAESARⅡ軟件對管道進行1∶1建模，離心泵管道模型如圖2所示。

圖2 離心泵進出口管道模型圖

建好管道的有限元模型之后，本研究根據(jù)現(xiàn)場管道的實際工況在管道上加上相應(yīng)的約束條件，以計算管道的模態(tài)。通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，離心泵管道在ABC、DE、FGH處管道振動劇烈，振幅很大，而且振動頻率為16.49 Hz，通過分析計算，管道的第6階振動模態(tài)的振動頻率為16.89 Hz，其振型如圖3所示。

研究者可以算出其共振區(qū)域為13.51 Hz～20.27 Hz，實際振動頻率剛好落在該管系的共振區(qū)域之內(nèi)，所以該管道振動的主要原因是發(fā)生了共振。本研究將以第6階模態(tài)為依據(jù)［8-9］制定減振方案。

2.3 離心泵管系減振方案及減振效果

根據(jù)離心泵模態(tài)分析結(jié)果，同時結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在不改變管道原有結(jié)構(gòu)的情況下，本研究在管道振動幅值較大的位置安裝阻尼器。

阻尼器現(xiàn)場安裝圖如圖4所示。

圖3 離心泵進出口管道第6階振動模態(tài)

圖4 離心泵管道阻尼器現(xiàn)場安裝圖

現(xiàn)場安裝上阻尼器之后，本研究使用測振儀對離心泵進出口管道按如圖5所示測點測量管道各個位置的振動幅值。各點振動幅值如表1所示。振動幅值減振前后變化比較如圖6所示。

圖5 離心泵管道振動測點位置圖

由表1 中總結(jié)的減振前、后管道振動幅值可以得出，在改造前，增壓離心泵處的主管道振動就已經(jīng)非常大，最大振動幅值為1.29 mm，改造后最大振動幅值為0.14 mm，最大降幅為89.8%；表1中測點4、5的振幅值為增壓離心泵主管道旁路DN50管道減振前后的振動幅值。由表1中數(shù)據(jù)知，DN50管道的最大振幅由減振前的3.1 mm 下降為減振后的0.27 mm，最大降幅為91.3%，減振效果非常好［10-11］。

表1 離心泵管道阻尼器安裝前后振幅對比表

圖6 離心泵管道減振前后各測點振動幅值變化圖

3 柱塞泵進出口管道振動改造

3.1 柱塞泵進出口管道振動情況

圖7 柱塞泵進出口管道局部圖

進料柱塞泵進出口管道局部圖如圖7所示。管道規(guī)格為Φ 219 mm×8 mm，介質(zhì)為丁烯氣體，介質(zhì)溫度為90 ℃～120 ℃，丁烯氣體經(jīng)過離心泵增壓至1 MPa后被輸送到柱塞泵處，再把壓力提高到6 MPa，柱塞泵轉(zhuǎn)速是1 490 r/min。柱塞泵在工作的過程中由于柱塞泵往復(fù)運動產(chǎn)生壓力脈沖，壓力脈沖作為激發(fā)管道振動的主要激振力，當(dāng)脈沖頻率與管道的固有頻率發(fā)生共振時，會引起管道的強烈振動。同時，管線中連續(xù)出現(xiàn)9個彎頭、2個丁字路口和管道中缺少固定約束也是管道產(chǎn)生強烈振動的主要原因，雖然后來增加了很多支撐，但是在壓力升到3.5 MPa時，管道最大振幅就已經(jīng)超過0.5 mm，達到美國普度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定危險區(qū)域，必須進行減振處理。

3.2 柱塞泵管系的模態(tài)分析

本研究運用CAESARⅡ軟件對柱塞泵管道所建的有限元模型如圖8所示。通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，柱塞泵管道在A、BC、DE、FG、HI處管道振動劇烈，振幅很大，而且振動頻率為16.49 Hz，通過分析計算，管道的第11 階振動模態(tài)的振動頻率為16.23 Hz，其振型如圖9所示?？梢运愠銎涔舱駞^(qū)域為12.98 Hz～19.48 Hz。實際振動頻率剛好落在該管系的共振區(qū)域之內(nèi)，所以該管道振動的主要原因是發(fā)生了共振。減振方案的制定將以第11階模態(tài)為依據(jù)。

圖8 柱塞泵進出口管道模型圖

圖9 柱塞泵進出口管道第11階振動模態(tài)

3.3 柱塞泵減振方案及減振效果

根據(jù)柱塞泵進出口管道模態(tài)分析結(jié)果，本研究在振幅位置最大的地方安裝阻尼器。柱塞泵管道在安裝阻尼器前后管道各點的振動幅值如表2所示，該部分管道的最大振動降幅為69.5%，減振后振動幅值都低于0.2 mm，滿足美國普度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全范圍，管道可以用于安全生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

離心泵和柱塞泵管道系統(tǒng)振動現(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重影響到石化行業(yè)的生產(chǎn)安全，必須加以控制，以保證生產(chǎn)的安全進行。

管道系統(tǒng)振動的原因比較多，最常見的是管道結(jié)構(gòu)由于流體壓力的脈動產(chǎn)生共振，以及管道的彎頭及閥門處流體的沖擊造成的振動。本研究通過運用CAESARⅡ軟件對管道進行模態(tài)分析，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與模態(tài)進行對比，并得到了管道振動原因，從而為阻尼器安裝提供了可靠的依據(jù)。管道阻尼器可以在不改變管道結(jié)構(gòu)的情況下進行減振，并且在不停機的狀態(tài)下安裝，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

以上實際工程應(yīng)用結(jié)果證明，管道阻尼器能夠有效控制管道的振動，保證生產(chǎn)的安全，延長管道的使用壽命。

（References）：

［1］萬邦烈，李繼志.石油工程流體機械［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999：1.

［2］陳永祁，杜義欣.液體粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的最新進展［J］.工程抗震與加固改造，2006，28（3）：65.

［3］肖高棉.活塞式壓縮機管道的振動控制研究［D］.成都：西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，2003.

［4］周 云.粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2006：9-11.

［5］姜 揚，何立東，伍 偉.丙烷塔空冷器集合管管道阻尼減振技術(shù)研究［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2011，32（2）：19-24.

［6］鄭兆昌.機械振動［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1980：54-57.

［7］鄭久建.粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)分析方法及設(shè)計理論研究［D］.北京：中國建筑科學(xué)研究院，2003.

［8］崔巍升，宮建國，金 濤.化工廠管道振動原因分析及控制［J］.流體機械，2011，39（10）：34.

［9］姜 揚.石化設(shè)備管道系統(tǒng)阻尼減振技術(shù)研究及疲勞壽命分析［D］.北京：北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，2011.

［10］杜 平，胡夏夏.管路系統(tǒng)的模態(tài)分析［J］.輕工機械，2012，30（3）：29-31.

［11］王 濤，龍勁強，姜正貴，等.黏滯阻尼器在抗振方面的應(yīng)用［J］.發(fā)電設(shè)備，2010，24（5）：389.