往復(fù)泵振動與脈動分析

周 偉

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

往復(fù)泵是通過活塞的往復(fù)運動直接以壓力能形式向液體提供能量的輸送機械。它的主要優(yōu)點是吸入性能好，效率較高，其中蒸汽往復(fù)泵可達(dá)80%～95%；可輸送任何介質(zhì)，幾乎不受介質(zhì)的物理或化學(xué)性質(zhì)的限制；泵的性能不隨壓力和輸送介質(zhì)黏度的變動而變動。因此使得往復(fù)泵在石油化工生產(chǎn)企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。

由于吸入和排出的間斷性以及活塞的變速運動，使往復(fù)泵管路中的液流壓力和流量呈周期性變化，這種現(xiàn)象稱為液流的壓力脈動。尤其當(dāng)排出壓力的變化頻率與排出管路的固有振動頻率相等或成倍數(shù)時，會引起管道系統(tǒng)的共振[5-6]。同時使泵的原動機負(fù)荷不均，出現(xiàn)容積效率降低，功率消耗增加，氣閥工況變壞，直接縮短往復(fù)泵的使用壽命。管系的共振還會導(dǎo)致管道和管架的疲勞破壞，誘發(fā)建筑物振動與噪音以及管道與附件設(shè)備松動。因此，往復(fù)泵的管道設(shè)計是至關(guān)重要的。

1 往復(fù)泵的特點

往復(fù)泵屬于容積泵，其借助活塞或柱塞在液缸工作腔內(nèi)的往復(fù)運動（或通過隔膜、波紋管等撓性元件在工作腔內(nèi)周期性地產(chǎn)生彈性變形）實現(xiàn)工作腔容積產(chǎn)生周期性的變化。在結(jié)構(gòu)上，工作腔通過密封裝置與外界隔開。工作時，原動機的機械能經(jīng)往復(fù)泵直接轉(zhuǎn)化為被輸送液體的壓力能。其主要特點有：流量是脈動的；平均流量是恒定的，理論上其大小只取決于泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而與出口壓力無關(guān)；泵的壓力取決于管路特性，與流量無關(guān)，對輸送介質(zhì)有較強的適應(yīng)性；有良好的自吸能力，啟動前無須灌泵，泵的排出壓力最高可達(dá)1 500MPa；在出口壓力很高而流量又很小時，往復(fù)泵是唯一的選擇，其不僅能滿足性能需要，而且效率也較高。

本文遵循標(biāo)準(zhǔn)API STANDARD 674-THIRD EDITION，DECEMBER 2010 中近似設(shè)計方法2對某1,4丁二醇裝置中BYD高壓泵0302-P-201A/B/C/D出口管路系統(tǒng)液體脈動及管道振動進(jìn)行模擬、分析計算、結(jié)果評估、解決方案提供、最終計算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。其中，液體脈動分析依據(jù)平面波動理論，采用聲學(xué)模擬進(jìn)行分析計算；管道機械振動分析采用有限元方法進(jìn)行分析計算。

2 系統(tǒng)描述

本文脈動和振動分析管路范圍為BYD高壓泵0302-P-201ABCD 出口管路系統(tǒng)，指泵體至泵出口，泵出口至反應(yīng)器管道及其附屬的安全閥進(jìn)出管道以及安全閥旁路管道（均不含泄放總管）。聲學(xué)分析的工藝工況是正常運行介質(zhì)狀態(tài)，操作工況是三開一備狀態(tài)，泵的運轉(zhuǎn)狀態(tài)是正常轉(zhuǎn)速201r/min±10r/min。其中BYD高壓泵0302-P-201ABCD的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，流體物性參數(shù)如表2所示。

表1 高壓泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 流體物性參數(shù)

3 脈動分析

BYD 高壓泵0302-201ABCD 的出口管路工藝流程為：泵A/B/C分別獨立輸送介質(zhì)至反應(yīng)器0302-R-201A/B/C，泵D 為三臺泵備用，其出口管路與三臺泵均連同。根據(jù)高壓泵出口管路的工藝流程，聲學(xué)模擬分成6 個工況進(jìn)行脈動分析，工況如下：A 開 D 備；B 開 D 備；C 開 D 備；D 開 A 備；D 開 B 備；D 開 C 備。

3.1 結(jié)果評估

圖1為泵P-201A 開P-201D 備、泵P-201B 開P-201D 備用的最大脈動點處頻譜圖和最大脈動點處波形圖，全閥處合成波峰允許值為1 574kPa，允許不均勻度為4.9%，安全閥保護(hù)限制為200kPa，設(shè)計滿足要求。

圖1 最大脈動點處頻譜圖

圖2為泵P-201C 開P-201D 備用的最大脈動點處頻譜圖和最大脈動點處波形圖，全閥處合成波峰允許值為1 574kPa，允許不均勻度為4.9%，安全閥保護(hù)限制為180kPa，設(shè)計滿足要求。

圖2 最大脈動點處頻譜圖

3.2 管道支架的設(shè)置

往復(fù)泵的管道支架應(yīng)單獨設(shè)置，不宜利用泵房及框架的鋼柱，且管道應(yīng)采用卡箍型防振支架，管道上不得支撐其他管道。管支架的基礎(chǔ)應(yīng)與泵房及框架的基礎(chǔ)脫開，避免由于管道的振動引起泵房及框架的共振。

3.3 脈動結(jié)論

（1）四臺泵在激發(fā)頻率下計算脈動值略超出標(biāo)準(zhǔn)允許脈動水平值，但是脈動值不高，可以接受；

（2）四臺泵出口安全閥處合成波正波峰與設(shè)定值間的裕量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，合格。

4 管道靜態(tài)和振動分析

4.1 管道分析模型圖

根據(jù)提供的高壓泵外形圖、反應(yīng)器工程圖、管道單線圖，建立管路系統(tǒng)的完整振動分析模型。模型如圖3所示。

圖3 出口管路系統(tǒng)振動分析模型圖

4.2 管路振動分析結(jié)果

依照管道單線圖上支架計算后，管路中存在低頻和共振現(xiàn)象，對管路上支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，管路系統(tǒng)的固有頻率結(jié)果如表3所示：其中模態(tài)1、2 發(fā)生在管道0302-2028A/B/C-P 上，非高壓泵出口管道；模態(tài)7 發(fā)生在泵D出口三個分支管道上，鑒于此處設(shè)置支架沒有可生根結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實際運行情況決定是否設(shè)置支架。觀察上述結(jié)果，出口管路系統(tǒng)的固有頻率中已沒有小于4Hz 的低頻振動，和8～12Hz 的主激發(fā)頻率固有頻率，綜合評估管道振動控制合格。

表3 管路系統(tǒng)的固有頻率報告

4.3 管路應(yīng)力分析結(jié)果

根據(jù)出口管路系統(tǒng)單線圖，和控制振動后的支架設(shè)計狀況，計算管道系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力情況如表4所示：

表4 管道系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力情況

根據(jù)上述結(jié)果，出口管路系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

往復(fù)泵在運行過程中產(chǎn)生的振動會造成管道疲勞失效、設(shè)備損壞等問題，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。通過往復(fù)泵的脈動和振動分析能夠在設(shè)計階段將產(chǎn)生振動的原因盡量消除，保障系統(tǒng)運行的平穩(wěn)，對生產(chǎn)有著重要的意義。