重交瀝青裝置進料管道阻尼減振技術(shù)

楊建江， 何立東， 陳 釗， 楊 揚

(北京化工大學化工安全教育部工程研究中心，北京 100029)

引 言

在煉油廠中，為匹配全廠生產(chǎn)加工總流程，依托裝置現(xiàn)場情況以及相應(yīng)的儲運及管網(wǎng)、公用工程等配套設(shè)施，重交瀝青裝置可針對加工原料進行適應(yīng)性改造，不但可以解決劣質(zhì)艙底油、老化油難以處理的困境，避免劣質(zhì)艙底油對環(huán)境的污染，還可以擴大原料范圍，實現(xiàn)現(xiàn)有資源價值最大化[1]。重交瀝青裝置的進料管道是輸送原油介質(zhì)的重要構(gòu)件，需保證其在設(shè)備運行中狀態(tài)平穩(wěn)，一旦泄漏，造成的后果損失相當嚴重。河北某煉油廠的1#重交瀝青裝置進料管道自提高運行負荷以來就一直存在振動過大的問題，振動過大會加快管道的疲勞破壞，縮短管道的使用壽命，久而久之會造成裝置連接接口損壞失效、吊架斷裂甚至管道爆破，嚴重時外泄的介質(zhì)會引發(fā)較大火災、爆炸等安全事故[2]。

當前熟知的管道振動抑制方法中，以下兩種方法較為普遍且有效：1)通過降低裝置內(nèi)流量、增加內(nèi)部孔板或是設(shè)置緩沖罐，可以相對控制裝置管道內(nèi)介質(zhì)的壓力脈動，從而減小流體造成的激振力，這類方法比較受施工空間與繁重工作量的限制；2)通過直接改變管道構(gòu)架及剛性支撐的數(shù)量以改變系統(tǒng)的剛度，這樣可以使管道的固有頻率發(fā)生變化，從而遠離共振區(qū)域。在實際工程中，大多將隔振、阻尼減振、動力吸振等方法運用在現(xiàn)有管道系統(tǒng)中來降低管道振動[3]。

本文對河北某煉油廠1#重交瀝青裝置進料管道的振動情況進行了現(xiàn)場考察，結(jié)合現(xiàn)場情況以及管道模態(tài)計算，分析得出管道振動的原因，從而確定在不停車情況下將黏滯阻尼器安裝在管道適當部位的施工方案，通過阻尼減振技術(shù)的應(yīng)用，較好地控制管道振動，保障設(shè)備管道系統(tǒng)的安全運行。

1 進料管道參數(shù)及振動情況

本次改造的管道為某煉油廠1#重交瀝青裝置進料管道，管道內(nèi)介質(zhì)為經(jīng)過預處理的原油，通過車間一層的換熱器升溫至260 ℃以上后進入重交瀝青裝置，管道公稱直徑為DN350，壁厚為10 mm，三通變徑前管道公稱直徑為DN250，管道總長18 m左右。第50頁圖1為重交瀝青裝置進料管道的現(xiàn)場走向圖，如圖所示，進料管道在裝置前有連續(xù)兩個彎頭，彎頭1下方有剛性懸掛角鐵固定，距彎頭2約8 m處以及三通處由剛性三角支撐承重。在機組運行過程中，彎頭1和彎頭2處振動較大，彎頭1處振動值可達7 mm，管道的晃動幅度肉眼可見，已經(jīng)導致懸掛角鐵焊口開焊。

圖1 進料管道現(xiàn)場走向圖

如此強烈的振動，使得車間無法提高裝置運行負荷，導致無法滿足相應(yīng)效益指標。更嚴重的是長期大幅度的振動會造成管道疲勞破壞，進而導致進料管道與裝置連接處的焊縫產(chǎn)生裂紋，引發(fā)嚴重安全事故。因此通過減振改造消除安全隱患刻不容緩。

2 進料管道振動分析

2.1 管道振動原因

管道振動的原因是相當復雜的，如管道結(jié)構(gòu)、走向不合理，彎頭、三通、法蘭等應(yīng)力集中原件較多，管內(nèi)流體激振等[4]。一般情況下，管道內(nèi)流體介質(zhì)與管道自身的結(jié)構(gòu)之間會存在的流固耦合作用，通常會引起管道的振動[5]。重交瀝青裝置進料管道所輸送的介質(zhì)為原料油，品質(zhì)較差的原料油中通常含水分較多，在進料前通過換熱器升溫時，原料油中的水分就會氣化，管道內(nèi)介質(zhì)便會形成氣液兩相。兩相流體不同于單介質(zhì)流體，其流量與壓力變化更為復雜，因此在經(jīng)過變徑管道、彎頭和閥門時速率方向會發(fā)生變化，這就會對管道產(chǎn)生相應(yīng)激振力。這時管內(nèi)兩相流體與管道之間就會產(chǎn)生相互作用，兩相流體的流動過程和產(chǎn)生的激振力中會引起管道內(nèi)壁沖刷與點蝕，導致管壁非均勻減薄，所以內(nèi)部介質(zhì)流動會造成管道振動，與此同時，振動的管道也會對內(nèi)部流體產(chǎn)生一定作用，這兩者是相關(guān)耦合的[6]。

此條進料管道較長，然而僅存在兩處剛性三角支承，缺少約束導致管道系統(tǒng)整體剛度偏小。同時，管道的兩個連續(xù)彎頭及三通距離較近，當介質(zhì)通過管道彎頭和三通時，流速和方向會不斷變化，形成渦流，從而引起管道振動。彎頭處的最大振動值可達7 mm，晃動幅度肉眼可見，遠超美國普度安全標準。

2.2 管道模態(tài)有限元分析

用ANSYS有限元分析軟件對重交瀝青裝置進料管道進行實體建模和模態(tài)計算[7]。在計算中根據(jù)車間內(nèi)管道布置情況、公稱直徑等進行建模，在懸掛支架與三角支撐處按現(xiàn)場情況施加位移約束，對管道兩端施加固定約束。模態(tài)計算分析后得到管道三、四階模態(tài)的固有頻率對應(yīng)的振型圖及位移云圖如圖2、圖3所示。

模態(tài)計算得到的管道系統(tǒng)的前五階固有頻率分布如表1所示。

表1 進料管道結(jié)構(gòu)的前5階固有頻率

圖2、圖3表明，管道的第三階固有頻率為7.49 Hz，彎頭1、2處振型主要是上下擺動；管道第四階固有頻率為8.52 Hz，三通處振型為上下擺動，彎頭3處振型為左右擺動。

圖2 進料管道三階模態(tài)下的振型和位移云圖

圖3 進料管道四階模態(tài)下的振型和位移云圖

結(jié)合現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)及表1、圖2、圖3，可以進一步總結(jié)管道振動的原因：

現(xiàn)場測得管道振動頻率為8.21 Hz，可見流體激振力的頻率處于管道系統(tǒng)的四階固有頻率共振區(qū)(6.82 Hz～8.99 Hz)，從而引發(fā)管道共振，這會直接造成管道振動振幅增大，形成大幅度晃動。管道的主要振動形態(tài)為彎頭1、2處與三通處呈現(xiàn)上下擺動，彎頭3處呈現(xiàn)左右擺動，這與現(xiàn)場測量觀察的振動情況相吻合。

3 阻尼減振技術(shù)

3.1 黏滯阻尼器原理

一般情況下，管道系統(tǒng)受到瞬間沖擊載荷或振動載荷時，會將沖擊動能轉(zhuǎn)化為熱能釋放出去。由動力學原理可知，振動系統(tǒng)的振動能量想要衰減，那么系統(tǒng)中必須存在阻尼，且當系統(tǒng)處于共振階段時，還會導致振幅加強而使振動系統(tǒng)失穩(wěn)。在實際工程中，雖然管道系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計時已經(jīng)考慮了阻尼問題，但是在管道相應(yīng)位置施加外阻尼與剛度，就可以通過阻尼器將管道大部分振動能量消耗掉，這樣可使整個管道系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

黏滯阻尼器結(jié)構(gòu)有外部缸套，缸套內(nèi)部有活塞、密封環(huán)以及萬向節(jié)等，高分子黏滯流體處于這些結(jié)構(gòu)與缸套之間。管夾將管道的振動傳遞到阻尼器上體部分，帶動被高分子黏滯流體包圍的活塞與缸套之間產(chǎn)生相對運動，此時活塞與高分子黏滯流體之間產(chǎn)生摩擦力與剪切力，并以阻尼力的形式作用于管道系統(tǒng)中，達到抑制管道振動的目的。上述中產(chǎn)生的阻尼力表示為式(1)。

(1)

式(1)表明，阻尼力Fd與運動位移x始終保持反向，因此這樣的相互作用可減小管道系統(tǒng)的振動，耗散振動能量。

3.2 阻尼減振原理

系統(tǒng)的振動衰減的本質(zhì)是系統(tǒng)中存在阻尼。當在管道系統(tǒng)中安裝黏滯阻尼器，即向管道系統(tǒng)施加外阻尼，這與原系統(tǒng)中的阻尼具有一致性[8]。

在黏滯阻尼模型中，外界激振力F、系統(tǒng)慣性力Fm、系統(tǒng)彈性力Fk、系統(tǒng)阻尼力Fc和阻尼器阻尼力Fd的相互作用使管道系統(tǒng)達到平衡。黏滯阻尼模型簡圖如圖4所示。

圖4 黏滯阻尼模型簡圖

結(jié)合圖4與式(1)，系統(tǒng)的運動方程可寫為式(2)、式(3)。

F=Fm+Fc+Fk+Fd

(2)

(3)

式中:m、c、k分別表示管道系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度系數(shù)[9]。

式(3)表明，與其單質(zhì)點運動方程相比，式(3)中多出了阻尼器阻尼力Fd的作用，這說明將黏滯阻尼器加入到管道中時可增強其對外界激振力F的抵消能力，因此對管道振動能量的消耗就會更佳。

4 阻尼減振方案及改造效果

4.1 阻尼減振方案的確定

綜合考慮ANSYS 模態(tài)計算結(jié)果、阻尼器所用空間和現(xiàn)場管道走向，確定管道系統(tǒng)黏滯阻尼器的布置方案，將阻尼器布置在相應(yīng)位置以減小管道振動，現(xiàn)場位置分布圖如圖5所示。

圖5 阻尼器現(xiàn)場位置分布圖

三個彎頭處的振動能量主要由阻尼器1、2、4、5進行耗散，三通的振動主要由阻尼器3進行耗散，5個阻尼器聯(lián)合作用控可制整條管道的振動，大大減小管道振動振幅，保障裝置運行安全。阻尼器的設(shè)計方案與現(xiàn)場施工如圖6所示。

圖6 阻尼器的設(shè)計方案與現(xiàn)場施工

4.2 阻尼減振效果

阻尼減振改造后，分別在管道安裝的5個阻尼器的位置進行振動測量，將各位置阻尼改造前、后測得的主要振動數(shù)據(jù)進行對比分析，管道阻尼減振前、后的振動幅值對比如圖7所示。

圖7 設(shè)置阻尼器前后管道各測點振動幅值對比圖

圖7表明，改造前管道測點振動最大振幅可達7 mm，安裝黏滯阻尼器后，在設(shè)備正常負荷運行情況下，可將振幅降至1 mm以下，抑制管道振動效果明顯，消除現(xiàn)場安全隱患，機組順利正常平穩(wěn)運行。

5 結(jié)語

為降低重交瀝青裝置進料管道的振動，在管道保持自身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入外阻尼到管道各振動較大的部位，可以有效地耗散管道的振動能量。相對于其他傳統(tǒng)減振方法，阻尼減振技術(shù)在引入外阻尼到管道系統(tǒng)進行減振方面具有優(yōu)越性。

本文運用ANSYS對重交瀝青裝置進料管道系統(tǒng)進行了模態(tài)計算，根據(jù)其各階固有頻率及對應(yīng)振型分析管道劇烈振動的原因，并結(jié)合現(xiàn)場情況在不改變管道結(jié)構(gòu)、不停車的情況下對進料管道進行阻尼減振改造，減振效果明顯，消除了安全隱患，保證了機組安全高效的運行。