化工工程中振動管道的設(shè)計淺析

徐進（巴斯夫（中國）有限公司 上海 200233）

在化工生產(chǎn)裝置中,管道系統(tǒng)的振動有多種來源,管道設(shè)計過程中需要重點考慮的振動現(xiàn)象有以下幾種:往復(fù)式壓縮機及往復(fù)泵，氣液兩相流體，水擊，壓力瀉放的反作用力等。在管道設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)振源不同，合理考慮振動管道的應(yīng)對措施，在完成初步設(shè)計后，及時用應(yīng)力分析軟件進行動態(tài)應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果來確定是否需要對管道系統(tǒng)進行更改。本文主要介紹了振動管道的設(shè)計方法，動態(tài)應(yīng)力分析的詳細計算過程本文不做介紹。

一、往復(fù)式壓縮機/泵周邊管道系統(tǒng)的設(shè)計

以下為起振力的計算公式可以用來判定振源。當(dāng)管道斷面積比為σ，起振力為：FX=Q(1-)

Q----流量，cm3/s

γ----流體比重，kg/m3

g-----重力加速度，cm/s2

υ----流速，cm/s

當(dāng)流速υ為脈沖流時，即產(chǎn)生起振力，產(chǎn)生振源。往復(fù)式設(shè)備周邊的管道，由于內(nèi)部流體的壓力脈動產(chǎn)生的振動會導(dǎo)致管道、管件及支架的疲勞腐蝕，同時也會因振動導(dǎo)致設(shè)備的性能降低，能耗增加。因此在設(shè)計階段，應(yīng)該合理的對管道系統(tǒng)進行評估并制定措施來防止管道過度振動。往復(fù)式壓縮機周邊管道的設(shè)計，應(yīng)注意以下幾方面。

管道支架的合理設(shè)計有利于減少壓縮機周邊管道的振動。對于壓縮機房內(nèi)的管道，管道支架應(yīng)該獨立于壓縮機基礎(chǔ)和壓縮機房的地面，以防止振動傳遞給管道。同時采用高剛性的支架，以保證支架自身不會產(chǎn)生振動。通常振動更易發(fā)生在彎頭、閥門、減壓閥、調(diào)節(jié)閥、止回閥等載荷集中的部位，所以支架應(yīng)盡可能就近布置。對于管道系統(tǒng)的空間布置，在滿足應(yīng)力分析的要求下，應(yīng)盡可能的短、直，以增強管道的剛性，同時管道上小管徑分支管如放凈管，放空管及壓力表接管等位置應(yīng)該用三角板補強，防止因為振動產(chǎn)生的疲勞斷裂。

在振動管道系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)防止壓縮機的振動與管道系統(tǒng)產(chǎn)生共振。通常通過改變管道的空間走向來改變管道系統(tǒng)的固有振動頻率，通過設(shè)置等間距的支架可以有效地避免管道系統(tǒng)與壓縮機形成共振。

在對管道系統(tǒng)動態(tài)應(yīng)力分析后，如果結(jié)果超過許用范圍,則需要對管道設(shè)計進行更改，通常考慮以下幾點：更改管道系統(tǒng)的空間布置，增加管道壁厚，更改支架設(shè)計，增加軟管來隔絕機械振動，設(shè)置脈動衰減器，加裝限流孔板，及增大緩沖罐的容積等。在更改管道設(shè)計后，應(yīng)重新進行動態(tài)應(yīng)力分析。管道空間走向的修改，需要脈沖及振動分析。管架位置的更改只需要進行振動分析。

二、兩相流管道系統(tǒng)的設(shè)計

兩相流管道系統(tǒng)，即管道內(nèi)的流體同時包含氣液兩相，會產(chǎn)生振動的兩相流通常分為柱狀流、塞狀流、泡沫流。在化工生產(chǎn)中兩相流發(fā)生的原因較多，因此在管道設(shè)計中，應(yīng)提前判斷并采取有效的措施。以下為可能產(chǎn)生兩相流的情況；

1.明火加熱裝置的出口管，當(dāng)溫度波動時，會導(dǎo)致流體過熱、汽化，產(chǎn)生兩相流。

2.換熱器的出口管，當(dāng)進入換熱器介質(zhì)的流量減少時，換熱器出口的溫度可能高于設(shè)計溫度，導(dǎo)致兩相流出現(xiàn)。

3.產(chǎn)生較大壓降設(shè)備（如調(diào)節(jié)閥，輸水器，限流孔板）的下游管線，可能出現(xiàn)流體的閃蒸而導(dǎo)致兩相流。

針對上述情況，在管道系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮：兩相流管道系統(tǒng)的空間布置應(yīng)盡可能短和簡潔，避免管道的柔性過大。對產(chǎn)生較大壓降設(shè)備，要盡可能布置在地面上，以免與化工裝置的鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，如果下游管線連接到塔或儲罐，則該設(shè)備應(yīng)盡可能的靠近塔或儲罐的進口。如果設(shè)備下游有彎頭，則應(yīng)該保證兩者之間有至少500mm的直管段，以避免再次發(fā)生擾流。對于高速流體，流速的波動會在彎頭及支管處產(chǎn)生振動，所以彎頭處的支架要有足夠的強度來應(yīng)對。同時可以通過設(shè)置相同間距的支架來避免共振。

三、發(fā)生水擊管道的設(shè)計

水擊是當(dāng)管道中流體因為快速操作產(chǎn)生的流速的急劇變化而引起的壓強的大幅波動。典型案例是當(dāng)流體管道上的閥門快速關(guān)閉時，上游靠近閥門位置的流速降為零，導(dǎo)致壓強增大，增壓波隨后被閥門反彈上行,到達上游末端后再以常壓波下行至閥門。此后不斷重復(fù)上述過程。水擊的壓強和導(dǎo)致的振動，會對管道及設(shè)備產(chǎn)生損害，嚴(yán)重時會導(dǎo)致管道爆裂，甚至對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害。因此，要找出水擊發(fā)生的位置,加以分析,并在設(shè)計階段采取合理的應(yīng)對措施。根據(jù)以往的經(jīng)驗，以下列情況會導(dǎo)致水擊出現(xiàn)：

1.進料閥和事故控制閥在終止進料或事故狀態(tài)時的快速關(guān)閉。

2.泵突然停止后，泵出口的止回閥為防止物料倒流而快速關(guān)閉。

3.雨淋閥或安全閥等在開啟時，流體快速流入空管中。

4.出口管道較長或通往高位儲罐的泵，突然停止時。

5.當(dāng)換熱器布置在泵出口管的高位時，泵快速啟動時。

6.當(dāng)泵出口切斷閥布置在離泵較遠的高位時。

7.蒸汽管道上關(guān)閉的閥門再次打開時。

在管道設(shè)計中，應(yīng)與工藝專業(yè)確認(rèn)上述情況的存在，并在設(shè)計中考慮以下應(yīng)對措施，對于快速關(guān)閉的閥門，應(yīng)采用延長閥門的關(guān)閉時間或關(guān)閉的方式（如分級關(guān)閉）來減少水擊。如果預(yù)算及空間允許，在閥門上游設(shè)置壓力瀉放閥和緩沖罐，并在閥門附近設(shè)置高強度的支架來抵抗水擊。對于泵的出口管道，應(yīng)采用強度較好的止回閥，如雙瓣式止回閥；泵出口的切斷閥應(yīng)靠近泵出口布置，并在閥門的上下游設(shè)置小流量旁路。對于有可能產(chǎn)生水擊的管線應(yīng)避免較長的直管段，導(dǎo)致增壓波加速時間過長。蒸汽管道的閥門，上下游應(yīng)裝輸水閥，防止凝液積聚。而對于消防的雨淋閥，以在上游加裝限流孔板，這樣可以降流體在下游的流速，避免水擊發(fā)生。

四、安全閥、自控閥開啟的反作用力

當(dāng)緊急狀態(tài)下安全閥開啟時，流體從安全閥出口快速噴出，產(chǎn)生的反作用力同時施加給安全閥入口及出口管道。因此必須對安全閥進行應(yīng)力校核，合理的設(shè)計管道支架及對管道系統(tǒng)進行補強，來避免反作用力對管道的損害。當(dāng)安全閥出口對空排放時，通常有較長的立管，受力更大，所以在出口彎頭處要設(shè)置支架，并在立管上增加導(dǎo)向支架。如果安全閥入口管徑較小（如小于DN40），則應(yīng)考慮對入口管增加補強板，同時將管架就近布置，減小反作用力產(chǎn)生的振動。

自控閥，尤其是開關(guān)閥開啟時產(chǎn)生的反作用力同樣會導(dǎo)致管道系統(tǒng)振動。因此，應(yīng)將自控閥組布置在地面，以便抵御反作用力及振動。如果布置在操作平臺上，則平臺上的支撐要進行核算，保證足夠的強度。自控閥的支架應(yīng)合理布置，來保證對調(diào)節(jié)閥的支撐。通常的做法是在調(diào)節(jié)閥下游就近布置固定支架，然后在上下游的第一個彎頭處設(shè)置導(dǎo)向支架，這樣可以有效的降低自控閥產(chǎn)生的振動。

除上述四種情況外，以下同樣會產(chǎn)生管道振動的情況常被忽略；在包含泥漿和粉體的管道中，粉體堵塞或介質(zhì)在管道內(nèi)部變硬，導(dǎo)致流動不暢，引起管道振動，需要與工藝專業(yè)協(xié)商，考慮清洗方案或吹掃方案。同時須注意管道系統(tǒng)中的溫度驟變，當(dāng)高溫介質(zhì)快速流入低溫介質(zhì)時會產(chǎn)生劇烈振動。蝶閥被用來控制流量時（例如，換熱器冷卻水進出口的蝶閥），氣穴會在閥門蝶片處產(chǎn)生，通常來講，閥門開度不應(yīng)小于30%，否則容易產(chǎn)生氣穴導(dǎo)致振動。對于液封設(shè)備，當(dāng)氣體鼓入液體中時，因為鼓泡產(chǎn)生的壓力波動，會對連接的管道產(chǎn)生振動。當(dāng)有上述情況存在時，管道設(shè)計可以參考上述的方法，以避免管道系統(tǒng)受到損害。

小結(jié)

對振動管道系統(tǒng)的設(shè)計，主要是為了以下目的：1）防止振動對管道元件和材料產(chǎn)生的應(yīng)力過載及疲勞腐蝕。 2）防止振動導(dǎo)致的設(shè)備性能下降 3）防止振動對日常的生產(chǎn)操作產(chǎn)生影響?；どa(chǎn)裝置中的管道振動已經(jīng)在工程設(shè)計領(lǐng)域越來越引起重視，尤其是在高壓、加氫、聚合裝置中，合理的振動管道設(shè)計可以有效的減少因管道、支架及設(shè)備破損等導(dǎo)致的生產(chǎn)事故。作為生產(chǎn)裝置的安全性、運行的可靠性和保證長周期運行的要求，脈沖與振動的控制在化工工程設(shè)計中已成為管道設(shè)計的重要組成部分。

[1]化工工藝設(shè)計手冊第四版 化學(xué)工業(yè)出版社.

[2]工藝管道 2012年版美國機械工程師協(xié)會 ASME B31.3.