彈性減振管托的開發(fā)及應(yīng)用

祁海波

摘 要：為滿足管道減振要求，將管道振動值控制在安全許用范圍內(nèi)，江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司在大型石化企業(yè)、高等院校、設(shè)計科研院所的支持下，組織專門技術(shù)力量；總結(jié)國內(nèi)外防振管系設(shè)計經(jīng)驗，根據(jù)壓力管道的運(yùn)行特點(diǎn)，吸收國內(nèi)外新工藝、新技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，成功研發(fā)出應(yīng)用于往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管系的彈性減振管托。

關(guān)鍵詞：管道振動 減振 管托 彈性元件 振幅

中圖分類號：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（c）-0104-02

石油化工裝置中，管道振動現(xiàn)象普遍存在，管系的振動會引起管道、管架乃至其所連接設(shè)備的疲勞和損壞。特別是高參數(shù)、大容量往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的振動，直接影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行，使壓縮機(jī)無法正常工作，并對上下游設(shè)備及其接口造成撕裂性破壞。此外，管系振動還會造成管件疲勞破壞，發(fā)生泄漏，甚至引起火災(zāi)爆炸等重大事故。因此，在往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道設(shè)計中，防振設(shè)計尤為重要。

長期以來，國內(nèi)防振管托主要結(jié)構(gòu)為型鋼、木塊組成的固定式管托和以減振彈簧為主體的彈性減振器。前者利用木塊微量緩振作用減振消振，但其結(jié)構(gòu)受溫度使用條件和熱態(tài)位移解決受限缺陷具有局限性。后者利用彈簧的剛度對彈簧預(yù)壓縮，減少管系的瞬時沖擊力，但使用不當(dāng)會減弱系統(tǒng)剛性反而會增加振動。市場需要一種新型減振支架來解決上述問題。

1 管道振動的原因

1.1 氣流脈動

由于往復(fù)式壓縮機(jī)介質(zhì)吸入、排出呈周期性，引起進(jìn)出口管道氣流脈動，使管道內(nèi)流體參數(shù)（壓力、速度、密度等）隨位置及時間產(chǎn)生周期性變化。脈動流體遇到彎頭、異徑管、分支管、盲板及閥門等元件時，將產(chǎn)生隨時間變化的激振力，使壓縮機(jī)進(jìn)出口管道產(chǎn)生振動[1]。

1.2 共振

在工程上通常把（0.8～1.2）f的頻率范圍作為共振區(qū)。壓縮機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動頻率為激發(fā)頻率，管道內(nèi)氣柱本身具有固有頻率，管道、組件及管架也具有管系機(jī)械固有頻率，當(dāng)氣柱固有頻率落在激發(fā)頻率共振區(qū)時，發(fā)生氣柱共振。

1.3 機(jī)組振動

機(jī)組本身的動平衡性能差、安裝不對中、基礎(chǔ)及支承設(shè)計不當(dāng)均會引起機(jī)組振動，帶動與其連接管道的振動。

2 管道振動的解決

2.1 管道應(yīng)力分析

為解決往復(fù)式壓縮機(jī)管系氣流脈動與管道振動問題，除按工藝操作條件進(jìn)行熱應(yīng)力分析外，還應(yīng)對管道進(jìn)行動態(tài)分析。振動計算內(nèi)容包括氣柱固有頻率、壓力脈動不均勻、頻譜分析、振型分析、疲勞分析[2]。根據(jù)兩部分結(jié)果采取相應(yīng)減振措施，如增加壓縮機(jī)進(jìn)出口緩沖罐、增設(shè)節(jié)流孔板、設(shè)減振管托等。

2.2 彈性減振管托設(shè)計

彈性減振管托作用是減小管道振動，往復(fù)式壓縮機(jī)本體振動在允許的情況下，合理設(shè)置彈性減振管托保證管系不發(fā)生共振，利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)控制管道振動。

2.2.1 滿足熱應(yīng)力分析要求

管道運(yùn)行時會存在熱位移和熱應(yīng)力，利用CASEⅡ進(jìn)行計算，得出管道各支吊點(diǎn)處的位移值。彈性減振管托應(yīng)滿足各點(diǎn)熱位移要求，允許管道各支吊點(diǎn)有必要的位移，以控制熱應(yīng)力在安全范圍內(nèi)。

2.2.2 滿足動力分析要求

管系動力分析可得出管系各支吊點(diǎn)處振動頻率、振幅及循環(huán)疲勞應(yīng)力。彈性減振管托作用是通過合理的布置避免共振；并通過預(yù)加預(yù)緊力使管道支吊點(diǎn)對管道產(chǎn)生一定約束，使管道振幅在允許安全范圍內(nèi)。

2.2.3 預(yù)緊力控制

彈性減振管托可通過預(yù)加摩擦力阻止管道在相應(yīng)方向上的位移，因此彈性減振管托需對管道有足夠的預(yù)緊力。預(yù)緊力A可通過以下公式進(jìn)行計算：

A≥F/（μ·x） （1）

2.3 彈性減振管托的結(jié)構(gòu)

圖1為彈性減振管擴(kuò)A，圖2為彈性減振管擴(kuò)B。此類型彈性減振管托采用合理剛性連接，特殊彈性元件減振和摩擦副消力結(jié)構(gòu)，使管系整體減振、防振處于動態(tài)平衡可調(diào)狀態(tài)，不僅可以保持管系剛性，又能消除管系三維方向產(chǎn)生的振動應(yīng)力和熱應(yīng)力。

3 工程實例

3.1 中天合創(chuàng)高壓聚乙烯項目

中天合創(chuàng)高壓聚乙烯于2016年投建，乙烯氣二次機(jī)出口管道最高操作壓力達(dá)340MPa，對管道振動要求十分嚴(yán)格。其裝置在進(jìn)出口管道支架均采用江蘇中圣管道工程技術(shù)有限公司的彈性減振管托，2017年完成安裝并投入運(yùn)行，并通過項目組驗收。該批產(chǎn)品設(shè)計合理，性能可靠，滿足設(shè)計要求且達(dá)到同類進(jìn)口產(chǎn)品的水平?，F(xiàn)場測試管道振幅值均小于200μm，管系應(yīng)力狀況和振動應(yīng)力狀況得到很好控制。

3.2 河北新啟元往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道減振改造

河北新啟元30萬t/a蔥油加氫裝置2臺往復(fù)式壓縮機(jī)，進(jìn)出口管道振動嚴(yán)重，且原焊接管托出現(xiàn)振動松脫現(xiàn)象；經(jīng)測試進(jìn)出口管道最大振幅達(dá)1.24mm，已影響管道附件及設(shè)備安全運(yùn)行[3]。江蘇中圣管道工程技術(shù)有限公司于2017年對該管道進(jìn)行振動改造，對原支架進(jìn)行調(diào)整并對管道進(jìn)行應(yīng)力分析，將原管托替換為彈性減振管托。改造完畢投運(yùn)來，減振效果明顯，振幅小于150μm。

4 結(jié)語

目前，彈性減振管托已應(yīng)用于燕山石化、大慶石化、揚(yáng)子石化、蘭州石化、茂名石化、江蘇斯?fàn)柊畹仁瘑挝唬⑷〉昧肆己脺p振效果。管道振動現(xiàn)象在石化裝置中普遍存在，有相當(dāng)部分裝置的管道需改造。隨著各石化單位對管道振動的重視，彈性減振管托的應(yīng)用將日益廣泛，市場前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐建，胡明祎.工業(yè)工程振動控制概念設(shè)計方法[J].地震工程與工程振動，2015，35（5）：8-14.

[2] 李劍.壓力管道應(yīng)力分析的內(nèi)容及特點(diǎn)[J].化工管理，2018（14）：93.

[3] 許光強(qiáng).淺析石油化工企業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行可靠性分析[J].化工管理，2015（24）：145.