全密度聚乙烯排料管線振動(dòng)原因分析及減振改造

姜永亮

（大慶石化公司塑料廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

某化工廠全密度聚乙烯裝置有兩條排料管線，用于輸送聚乙烯粉末至脫氣倉(cāng)，為間歇式氣動(dòng)輸料，正常情況下兩條排料管線交替工作。該管線2012 年8 月建成投入使用，自投用以來管線振動(dòng)大，并多次出現(xiàn)管件振裂損壞情況，已經(jīng)無法滿足裝置大負(fù)荷、長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)要求。

1 排料管線運(yùn)行情況

排料管線內(nèi)輸送的主要介質(zhì)為聚乙烯粉末、乙烯、氮?dú)饣旌衔铮芏葹?.91～0.96 g/cm3。排料管線開始排料時(shí)壓力為823 kPa，排料結(jié)束時(shí)為28.5 kPa。管線材質(zhì)為20#鋼，管線由直徑273 mm、壁厚9.5 mm 和直徑219 mm、壁厚9.8 mm 兩種規(guī)格管段組成，各管段間采用法蘭連接。

2 對(duì)管線進(jìn)行ANSYS 分析

通過ANSYS 分析軟件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)繪制管線單線圖并且根據(jù)單線圖建立分析模型，采用的單元為PIPE16，其中X 軸方向?yàn)闁|偏南方向，Y 軸方向?yàn)榇怪狈较?，Z 軸為西偏南方向，模型的基本長(zhǎng)度單位與圖紙相對(duì)應(yīng)為mm。同時(shí)為了方便分析和說明引起振動(dòng)的原因及振型，按照管線各部分布置特點(diǎn)，將管劃分為A、B、C、D、E 五個(gè)管段進(jìn)行分析說明（圖1）。管線出口至垂直方向第一個(gè)彎頭的水平管段為A 段，A 段與C 段間垂直管段為B 段，B 段后方水平直管段為C 段，C 段后方靠近進(jìn)口垂直管段為D 段，D 段后方水平管段為E 段。

通過振型分析（表1）和ANSYS 軟件計(jì)算分析得到以下結(jié)論。

（1）E 段的振型以15 階振型為主，振動(dòng)頻率為24.8 Hz，該段高階能量相對(duì)小，振動(dòng)較小。管段進(jìn)口彎管處設(shè)置限制水平方向自由度的彈簧阻尼，管段兩端設(shè)置限制垂直方向自由度的彈簧支座，起到了很好的減振作用。該管段雖然壓力最高、物料流動(dòng)速度最快，但是由于合理的減振措施，振動(dòng)不明顯?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況與分析結(jié)果基本一致。

圖1 管線模型

（2）A 段的振型以14 階振型為主，振動(dòng)頻率為21.7 Hz。該管段物料壓力低流動(dòng)速度慢，物料對(duì)管線的沖擊較小，振動(dòng)較小，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況驗(yàn)證了分析結(jié)論。

（3）5 階、7 階、10 階振型為B 管段的主要振型，振動(dòng)頻率分別為9.4 Hz、9.4 Hz、14 Hz。B 管段是整條管線最長(zhǎng)垂直管段，管段雖然布置有支座，但是支座間距大且都是滑動(dòng)支座，只對(duì)管線水平方向自由度有部分限制作用，所以B 管段的振動(dòng)比A、E兩管段振動(dòng)大。

（4）C、D 兩管段主要振型為2階、3 階、4 階、9 階、13 階振型，振動(dòng)頻率為3.2 Hz、4.6 Hz、9 Hz、11.8 Hz、20.9 Hz。這兩個(gè)管段的共同特點(diǎn)是沒有支座和阻尼等減振措施，接近管線入口處物料壓力高和流速快，物料經(jīng)過彎管處流動(dòng)方向改變對(duì)管線沖擊大，沒有有效的減振措施起到減振作用，所以振動(dòng)明顯。

表1 模態(tài)分析前15 階固有頻率統(tǒng)計(jì)

3 管線振動(dòng)原因分析

通過便攜式速度傳感器對(duì)管線送料時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，主要測(cè)試運(yùn)行時(shí)管線振動(dòng)情況。由于B 管段位置特殊不具備測(cè)量條件，所以選取A、C、D、E 管段法蘭為測(cè)量點(diǎn)。排料過程如下：排料罐下方排料閥打開后開始排料；當(dāng)排料管壓力下降到設(shè)定壓力后，排料罐沖壓閥門打開開始沖壓到設(shè)定壓力后關(guān)閉；重復(fù)以上過程至排料完畢。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，在管線輸送物料過程中，當(dāng)排料閥打開后管線的振動(dòng)先增大然后逐步減小至靜止。當(dāng)閥門打開后管線的壓力增大同時(shí)管線振動(dòng)增大，當(dāng)閥門關(guān)閉后管線振動(dòng)逐漸減小。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、振幅（圖2）及頻譜（圖3），分析得出以下結(jié)論：管線在整個(gè)排料過程中在激振力的影響下作受迫振動(dòng)。當(dāng)管線內(nèi)壓力升高時(shí)受沖擊力增大，振動(dòng)增大；當(dāng)閥門關(guān)閉后排料結(jié)束，管線自下而上做自由衰減運(yùn)動(dòng)。管線振動(dòng)的根本原因是：①輸送物料過程中，由于間歇式輸送物料管線內(nèi)壓力及介質(zhì)密度周期性大幅度變化，引起管線自由振動(dòng)；②物料在輸送過程中對(duì)各彎管產(chǎn)生各方向沖擊引起的管線自由振動(dòng)及振動(dòng)疊加。

4 管線減振措施

根據(jù)以上對(duì)管線振動(dòng)原因的分析，得出管線的振動(dòng)原因是物料沖擊引起的自由振動(dòng)和自由衰減振動(dòng)，需從降低振幅入手，達(dá)到減振目的。

圖2 管線送料時(shí)振幅

（1）減小激振力，即降低輸送物料時(shí)管內(nèi)壓力變化，由于管線的操作工藝無法改變，因此減小氣體壓力變化的做法無法實(shí)施。

圖3 管線送料時(shí)振動(dòng)頻譜

（2）增加管線固定支撐，有效吸收振動(dòng)能量，達(dá)到減小管線振動(dòng)的目的。

針對(duì)管線各段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及振動(dòng)原因做以下減振措施。

（1）在每條排料管線地面段水平處設(shè)置能夠支承和約束管線橫向、軸向、垂直方向位移且具有調(diào)節(jié)功能的支座，確保排料口管道與設(shè)備之間保持良好一致的剛度，將大幅振動(dòng)部位遷移出法蘭密集區(qū)域。

（2）將原有滑動(dòng)支架改為彈性阻尼膠墩，約束管線各方向自由度。

5 結(jié)語

用ANSYS 軟件及測(cè)量?jī)x器對(duì)某化工廠全密度聚乙烯裝置排料管線進(jìn)行了ANSYS 分析及測(cè)量，得到了管線各段固有頻率和主要振型，為振動(dòng)原因分析提供了理論依據(jù)。針對(duì)振動(dòng)原因，對(duì)兩條排料管線進(jìn)行了減振改造，對(duì)低階頻率振幅較大處增加了新型式支撐，新增加的支撐有效降低了振幅，自改造至今未再出現(xiàn)過管件振裂損壞情況，為該裝置的安全生產(chǎn)提供了良好的保障。