PTA裝置試車階段物料管道振動的影響因素淺析

上官少鵬

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

精對苯二甲酸(PTA)作為重要的有機原料，廣泛應(yīng)用于化學(xué)纖維、輕工、電子、建筑等各個領(lǐng)域。國內(nèi)市場中，75%以上的PTA用于生產(chǎn)聚酯纖維，20%的PTA用于生產(chǎn)聚酯瓶。近年來，因下游聚酯行業(yè)對原料PTA的需求日益增加，PTA裝置生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，最大單線生產(chǎn)能力已達(dá)2 200 kt/a[1-2]。但是，隨著裝置產(chǎn)能的增加，物料流量和管道管徑也隨之增大，在大流量、高揚程的影響下，管道配置不當(dāng)?shù)纫滓鹞锪瞎艿喇a(chǎn)生振動。物料管道振動作為安全隱患，已成為不可忽視的重要工程問題之一。

管道系統(tǒng)越龐大，振動問題越復(fù)雜，這要求在進(jìn)行管道設(shè)計時，對于關(guān)鍵管道不僅要進(jìn)行靜力分析，同時還要進(jìn)行動力分析，通過計算機軟件模擬管道在不同工況下的振動狀態(tài)。動力分析主要包含管道固有頻率分析、管道強迫振動響應(yīng)分析、往復(fù)式壓縮機(泵)氣(液)柱頻率分析及往復(fù)式壓縮機(泵)壓力脈動分析等。

PTA裝置試車階段產(chǎn)生的物料管道振動，往往與預(yù)試車和冷、熱試車各階段里程碑事件密不可分，通過試車可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)容易產(chǎn)生振動的物料管道。

作者通過對多套PTA裝置試運行階段的考察，對PTA裝置試車階段物料管道產(chǎn)生振動的原因進(jìn)行分析，針對控制閥管道布置、結(jié)晶器頂部氣相管線、精制單元漿料輸送管系等與振動相關(guān)的實際問題，運用CAESAR II軟件對管道系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，制定解決措施，以供同行借鑒。

1 PTA裝置試車階段物料管道振動的影響因素及解決措施

在PTA裝置試車過程中，易發(fā)生振動的物料管道通常與物料的溫度、相態(tài)和操作工況等密不可分，管道吹掃時蒸汽溫度過高和流速過快、氣相管道升溫和液相高速管道產(chǎn)生相態(tài)變化、離心泵單機試車全回流以及閥門開度小等情況均易造成管道的劇烈振動，甚至產(chǎn)生破壞。

1.1 管道系統(tǒng)管徑配置

在管道設(shè)計中，管道的管徑和阻力降通過計算確定[3],若管道的管徑設(shè)計未能有效核算或配置不合理，再加上管道中存在調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)裝置的口徑又相對較小，即會導(dǎo)致管道出現(xiàn)2～3級的縮徑，物料在流經(jīng)調(diào)節(jié)裝置時，壓力急劇變化，從而影響管道內(nèi)流體的流動形態(tài)，形成激振力，導(dǎo)致管道發(fā)生振動。

若試車階段發(fā)現(xiàn)個別調(diào)節(jié)閥口徑明顯小于管道直徑，當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時流速突然增加，靜壓力驟然下降，出現(xiàn)出口壓力低于該流體此時的飽和蒸汽壓，產(chǎn)生兩相流，管道產(chǎn)生振動，可選用球閥、蝶閥等壓力恢復(fù)系數(shù)小的閥門類型，控制閥門前后壓差小于2.5 MPa；也可選用角型調(diào)節(jié)閥，減少對體壁的直接沖擊，減弱閃蒸的破壞[4]。

另外，有些管道系統(tǒng)在回流管線上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥組，在離心泵等設(shè)備全回流試車時，若調(diào)節(jié)閥組口徑與回流管線管徑不匹配，也會造成回流管道流速較高，且調(diào)節(jié)閥局部流速更高，使管道發(fā)生振動。

再者，若管徑選擇偏小，管內(nèi)流體流速會較高，如有些液體流速超過6 m/s，就不易形成穩(wěn)定的流態(tài)，在縮徑或流向變化時，產(chǎn)生較大激振力，引起管道振動。

遇到上述問題，需要不斷加強專業(yè)間協(xié)同工作，盡量采用合理的流速和管徑，避免多檔縮徑，并校核管道系統(tǒng)的振動問題。

1.2 管道布置

在PTA項目建設(shè)中，為節(jié)省項目投資和占地，設(shè)備布置較為緊湊，管道布置不合理、錯綜復(fù)雜，缺少足夠的直管段，也會導(dǎo)致物料管道產(chǎn)生振動。例如在調(diào)節(jié)閥后直連異徑管和彎頭，物料管道上連續(xù)出現(xiàn)數(shù)個彎頭等均造成流向頻繁變化，引起管道振動。如圖1所示，因管道布置空間受限，調(diào)節(jié)閥后緊接異徑管和數(shù)個彎頭，試運行時管道出現(xiàn)明顯的振動。經(jīng)過對調(diào)節(jié)閥前后的支吊架進(jìn)行加固和限位(分別在調(diào)節(jié)閥前后彎頭處及設(shè)備進(jìn)出口增加限位)，振動明顯減弱。

圖1 調(diào)節(jié)閥前后管道布置Fig.1 Pipeline layout before and after control valve

設(shè)備布置宜按照工藝流程順序階梯布置，并應(yīng)滿足管道應(yīng)力[3]和工藝要求配置管道系統(tǒng)。對于高揚程、大流量的管道提前規(guī)劃，避免物料流向頻繁變化，可防止管道產(chǎn)生振動。

1.3 支吊架類型

易振動管道系統(tǒng)應(yīng)采取有效的止振措施，如粉料輸送管道應(yīng)設(shè)防振支架[3]，若管道系統(tǒng)采用的支吊架類型不合適，也會導(dǎo)致物料管道產(chǎn)生振動。在流體管道中，為控制壓力和流量，安裝有各種閥門，而設(shè)計時往往易忽視閥門附近的管架剛度，在這些閥門隨壓力和流量變化發(fā)生動作時，包含這些泵和管道的系統(tǒng)即會產(chǎn)生劇烈的自激振動。此類問題主要體現(xiàn)在對于管道參數(shù)的不了解，閃蒸氣管道和大流量管道在滿足管道應(yīng)力的情況下，要盡量保證管道的剛度，對于可預(yù)見的情況要增加管道支吊架數(shù)量，提高管道剛度，應(yīng)使用門字支吊架，而不是圓鋼支吊架。在PTA裝置試車過程中，結(jié)晶器頂部氣相管道出現(xiàn)過振動，分析其原因是管架設(shè)置不合理，管架設(shè)計比較單薄所致。如圖2所示，結(jié)晶器頂部氣相管道僅設(shè)置了2個彈簧支架(F2型式)，彈簧上配有滾珠盤，可在多方向上自由滑動。經(jīng)應(yīng)力計算校核，按照實際的節(jié)點位移方向，將滾珠盤改為滾輪，并對彈簧一次支架進(jìn)行加固和限位(分別在氣相管線彈簧處和安全閥出口處增加限位和導(dǎo)向)，試運行過程中管道振動明顯消除。

圖2 結(jié)晶器頂部氣相管道支吊架組合設(shè)置Fig.2 Combination of supports and hangers of gas phase pipeline at the top of mould

1.4 管道與設(shè)備共振

在連接往復(fù)壓縮機的管道系統(tǒng)中，當(dāng)管道內(nèi)氣柱的固有頻率與壓縮機的周期性排氣的頻率一致時，管道內(nèi)的氣柱便出現(xiàn)共振，這不僅可引起管道系統(tǒng)的強烈振動，還可造成壓縮機性能的降低，甚至?xí)艿喇a(chǎn)生破壞。尤其是對于裝有高壓氣體、有毒氣體、可燃性氣體的管道，管道內(nèi)流體的共振是非常危險的，應(yīng)當(dāng)避免共振的產(chǎn)生[5]。

消除壓縮機與管道共振，可通過增加限流孔板、加固管線和增加支撐等方法：(1)排出管道適當(dāng)位置加裝孔板，增加管段內(nèi)的流體壓力的均勻度，減少氣流脈動；(2)吸入排出管道支架與設(shè)備基礎(chǔ)脫離，且支架高度盡可能低，管架應(yīng)設(shè)在彎頭、分支、標(biāo)高有變化以及集中荷載附近；(3)對于壓縮機出口管道，管系結(jié)構(gòu)的最低階固有頻率不得低于8 Hz，通常將管系固有頻率控制在設(shè)備激振頻率的1.2倍以上。

1.5 試車流程

在PTA裝置試車階段，試車流程不規(guī)范、不合理，同樣會導(dǎo)致物料管道產(chǎn)生振動。如在項目建設(shè)末期，為期趕工，試車和安裝一并進(jìn)行，整體管道尚未完成裝配即采用泵出口全回流試車，因回流管線的設(shè)計流量僅為機泵額定流量的1/3，提前試車即會導(dǎo)致回流管線流速過快，引起管道振動。

另外，試車過程中流量控制不夠嚴(yán)格，機泵易產(chǎn)生喘振。對于泵系統(tǒng)，喘振會使容器內(nèi)水面劇烈波動；對于鼓風(fēng)機和壓縮機系統(tǒng)，喘振會產(chǎn)生巨大噪音。所以這些流體設(shè)備運行時，不能使其進(jìn)入喘振區(qū)，即流量限于喘振邊界的范圍內(nèi)工作。即使產(chǎn)生喘振，也應(yīng)準(zhǔn)確地分析出喘振的原因[5]，采取相應(yīng)的措施予以消除。

針對試車流程不規(guī)范、不合理現(xiàn)象，應(yīng)加強管理，制定施工計劃和試車方案，嚴(yán)格按照計劃(預(yù)試車和冷、熱試車各階段的里程碑事件)進(jìn)行實施。化學(xué)工業(yè)建設(shè)項目中試車階段的劃分及里程碑事件[6]見表1。

表1 試車過程中各階段的里程碑事件Tab.1 Milestone events of each stage during commissioning

2 管道振動模擬分析

物體按照某一階固有頻率振動時，物體上各個點偏離平衡位置的位移滿足一定的比例關(guān)系，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，這些模態(tài)參數(shù)可由計算或試驗分析取得。

CAESAR II作為應(yīng)力分析軟件，比較適合對復(fù)雜管道進(jìn)行動態(tài)分析，根據(jù)其動態(tài)分析模塊中的模態(tài)分析可計算復(fù)雜管道的固有頻率。任何系統(tǒng)的振動響應(yīng)或動態(tài)響應(yīng)都可以使用模態(tài)分析進(jìn)行確定。在實際情況下，模態(tài)分析時將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成多階振動模態(tài)，每階模態(tài)都具有各自獨特的振動響應(yīng)，結(jié)合現(xiàn)場運行的實際振型，即可找出其對應(yīng)的固有頻率階次。通常可采用零間隙導(dǎo)向和限位架或防震管卡來控制系統(tǒng)的振動頻率，但增加導(dǎo)向和限位架后，會增加系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而導(dǎo)致二次應(yīng)力的增加，因此需要再次進(jìn)行靜態(tài)分析，以保證分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性。

2.1 管道系統(tǒng)固有頻率的控制

對于振動管道，采用計算機進(jìn)行模態(tài)分析，是目前較為有效的手段。通常，對于固有頻率的控制原則是裝置內(nèi)管道和外管道的固有頻率應(yīng)分別不小于4.0 Hz和2.55 Hz[7]。但通過對產(chǎn)生振動的管道系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)項目設(shè)計前期的應(yīng)力計算與分析主要放在一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和管口應(yīng)力校核，而忽視了系統(tǒng)的動態(tài)分析，這易導(dǎo)致在裝置試運轉(zhuǎn)階段管道振動集中發(fā)生。

例如，精制單元漿料輸送管道系統(tǒng)(見圖3)在熱試車階段劇烈振動，通過對應(yīng)力模型進(jìn)行模態(tài)分析，系統(tǒng)低階固有頻率僅為0.116 Hz，經(jīng)過對模型中支吊架進(jìn)行有效的限位和導(dǎo)向，其系統(tǒng)低階固有頻率提高到4.731 Hz。

圖3 漿料輸送管道系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of slurry transportation pipeline system

在熱試車過程中，漿料輸送管道系統(tǒng)泵出口管道振動明顯，觀測現(xiàn)場的振動型態(tài)與15介模態(tài)比較接近。振動原因主要由于物料輸送過程中壓力變化及沖擊引起管道自激振動。結(jié)合計算機模擬結(jié)果現(xiàn)場調(diào)整支架位置和增加導(dǎo)向，再次熱運后振動消除。

易產(chǎn)生振動的管道往往設(shè)置有彈簧，其支撐的型鋼剛度應(yīng)盡量大一些，以保證系統(tǒng)所受激勵頻率遠(yuǎn)離彈簧的固有頻率。當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率在4～5 Hz以下時，宜用金屬彈簧。但是，當(dāng)固有頻率極低時，則不宜選用金屬彈簧。

2.2 安全閥排放反作用力的影響

熱試車階段，因操作條件、運行工況的變化，可引起安全閥的起跳。安全閥動作后泄放的物料以多相流為主，壓力和相態(tài)的變化可造成管道系統(tǒng)的振動。但系統(tǒng)分析過程中易忽視安全閥排放反作用力對管道系統(tǒng)的影響，導(dǎo)致支吊架強度不夠。

借助CAESAR II應(yīng)力分析軟件，對結(jié)晶器頂部氣相管線上的安全閥進(jìn)行分析，安全閥出口處瞬時泄放的反作用力達(dá)31 617 N，沿排放管線，排放管出口的作用力逐漸減小到17 963 N。

將計算所得反作用力的兩倍數(shù)值加載于距排出管口最近的彎頭處，以校核反作用力的單倍數(shù)值作用于安全閥出口的影響。對于兩相流系統(tǒng)，排放中易形成活塞流而在彎頭處產(chǎn)生激振，要求管道支架更堅固。典型的安全閥排放管道支架約束型式見圖4。

圖4 管道及設(shè)備上的安全閥排放管道支架約束型式Fig.4 Constraints type of safety valve releasing pipe supports for pipeline and equipment

實際操作過程中，為避免管道振動，排放管道應(yīng)有合適的支撐及限位，出口管道第一個支架應(yīng)優(yōu)先考慮生根于安全閥所保護(hù)的設(shè)備或管道的頂部，并保證有足夠的強度，同時，動態(tài)模擬中管系的低階固有頻率需控制在5.0 Hz以上，以保證具有足夠的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

a. PTA裝置試車階段產(chǎn)生管道振動的影響因素有多種，如物料管道管徑的選擇、設(shè)備和管道的布置、支吊架的類型、管道與設(shè)備共振以及試車流程等。管道系統(tǒng)管徑合理匹配、設(shè)備和管道合理布置、選擇合適的支吊架類型、消除設(shè)備與管道共振、嚴(yán)格按計劃執(zhí)行試車方案等，可防止物料管道產(chǎn)生振動。

b. 結(jié)合現(xiàn)場振動管道的實際型態(tài)，運用CAESAR II軟件對管道系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，增加適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向或者限位，提高其低階固有頻率，可防止管道振動。但過多的導(dǎo)向和限位會導(dǎo)致二次應(yīng)力的增加，需要對應(yīng)力模型反復(fù)校核與計算。

c. 借助計算機軟件對安全閥管道系統(tǒng)的反作用力進(jìn)行分析和評價，設(shè)置合適的支撐和限位，提高系統(tǒng)低階固有頻率，可有效保證管道系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。