淺談蒸汽管道振動在線監(jiān)測系統(tǒng)設計的關鍵點

文/杜云川

本文作者供職于斯派莎克中國有限公司。

管道振動系統(tǒng)在設計時需要注意的關鍵點及應對措施——在設計蒸汽管道的時候，為了避免振動產(chǎn)生疲勞損壞并消除水錘，設計蒸汽管道振動監(jiān)測系統(tǒng)并解決其關鍵問題。

蒸汽管道的振動一直是業(yè)內(nèi)關注的焦點，振動會產(chǎn)生疲勞損壞，并導致爆管等災難性事故。據(jù)估計美國每年因蒸汽管道振動造成的損失超過100億美元，而我國每年類似的事故也層出不窮，造成巨大的人員財產(chǎn)損失。

目前管道振動的識別主要依靠人工巡檢，依賴技術人員的技能，缺乏有效性和及時性。而在線的監(jiān)測系統(tǒng)比較缺乏，這與智慧化、數(shù)字化的發(fā)展要求不符合，因此尋找一種在線監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案迫在眉睫。

蒸汽管道振動監(jiān)測需要解決的關鍵問題

振動識別與評估的計算模型

流體在管道中輸送并高速流動，因此振動是管道中持續(xù)存在的現(xiàn)象。從系統(tǒng)啟動到正常運行階段，其表現(xiàn)出的強度差異很大，很難識別并量化出可接受與不可接受的評判標準。對于蒸汽輸送來說，由于來源蒸汽品質(zhì)以及輸送過程中散熱冷凝產(chǎn)生冷凝水，導致識別和評估計算會更加地復雜和困難。

目前常規(guī)的方法是通過人工巡檢并測量記錄，但是測量數(shù)據(jù)不足且誤差較大，無法反映管道實際振動情況。

振動的安全監(jiān)測與定位

對于蒸汽管道來說，蒸汽流速快，振動形成的因素復雜多變，尤其是蒸汽帶水的兩相流使得工況進一步復雜。兩相流形成水擊所引發(fā)的激振力，其頻率是不可預測的，激振力的大小在工程上也是很難定量或定性描述的，它與操作工況、傳熱及傳質(zhì)情況、介質(zhì)流動狀態(tài)和管道布置等都有關系。

常規(guī)的監(jiān)測系統(tǒng)主要是基于穩(wěn)態(tài)工況下的壓力、流量等數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，采集時間間隔長，而工廠蒸汽系統(tǒng)工況多變，強烈振動或者水錘發(fā)生的過程一般都在幾秒或者幾十秒之間，因此導致常規(guī)的監(jiān)測方法無法取得良好的實用效果。

系統(tǒng)關聯(lián)因素的識別確認

對于工廠蒸汽系統(tǒng)來說，除了蒸汽管道本身的流動特征之外，引起振動和水錘的因素還有很多，比如跟管道附件相連通的截止閥的開關，減壓閥的節(jié)流，疏水閥的泄漏，汽水分離器性能的下降以及支路蒸汽設備負荷的變化等。在監(jiān)測系統(tǒng)設計之前，需要對整個系統(tǒng)有完善的調(diào)研，并充分地識別出這些關聯(lián)因素。

系統(tǒng)解決方案

鑒于以上的問題，并結合當前市場上成熟的傳感技術，可以從以下幾方面入手，并形成解決方案。

振動測試與評估

將蒸汽管道的振動分為穩(wěn)態(tài)振動和瞬態(tài)振動，并設計不同的監(jiān)測和評估標準。穩(wěn)態(tài)振動是指系統(tǒng)在正常運行過程中，重復發(fā)生的持續(xù)性時間較長的振動。瞬態(tài)振動是短時間內(nèi)發(fā)生的振動，其總的應力循環(huán)次數(shù)小于1×106，通常是由關聯(lián)系統(tǒng)的工況變化引起的，比如閥門的快速開關及蒸汽負荷的突變等引起的。不同的振動類型采用不同的判斷標準和監(jiān)測方法。

對于常規(guī)的碳鋼蒸汽直管道，可以根據(jù)表1來確認振動是否可接受，具體判定數(shù)值可以參考表1所示；瞬態(tài)振動評估可以參考表2來判斷。

表1 穩(wěn)態(tài)振動評估

表2 瞬態(tài)振動評估

傳感器的選擇和安裝

傳感器的選擇需要滿足2個功能需求：一是實現(xiàn)日常運行過程中對振動和水錘的定位，二是要對預防性監(jiān)測或者預警功能的實現(xiàn)提供必要的數(shù)據(jù)信號。

加速度傳感器和振動傳感器如圖1所示，是評估和監(jiān)測管道振動的必要選擇?？紤]到蒸汽管道的高溫及低頻振動特性，推薦使用壓電加速傳感器。0～300 Hz的振動頻率可以涵蓋管道振動的所有振動頻率，考慮到監(jiān)測和定位的準確性，對于蒸汽管道應該選擇0.5～30 Hz，振動位移速度小于2 540 mm/s，振動位移小于254 mm。系統(tǒng)需要安裝噪聲傳感器，以捕捉水錘信號，監(jiān)測范圍為20～130 dB。

加速度和振動傳感器需要安裝在兩類位置：一是閥門或者設備的開關啟停對管道有影響的閥門，比如開關閥、疏水閥、減壓閥、流量計等等；二是和遠離這些管道附件的長距離管道，對于中低壓熱力管線，按照經(jīng)驗可以30～50 m布置一組傳感器。噪聲傳感器如圖2所示，可安裝在需要監(jiān)測區(qū)域的中間位置。

為了實現(xiàn)管道振動或者水錘發(fā)生的預警功能，需要對一些基本的表征信號，主要可以考慮以下幾個方面。

1.蒸汽管道疏水閥堵塞會引起并加劇管道振動，需要在各個疏水閥前增加溫度傳感器。

2.管道壓力瞬時的波動是蒸汽管道常見的狀態(tài)，增加壓力源附近的壓力信號。

3.蒸汽輸送管道流動特性，在壁面安裝電導率傳感器。

4.主管和分支管道的閥門開關信號。

5.蒸汽流量計的蒸汽負荷信號。

6.管路減壓閥和調(diào)節(jié)閥的運行信號。

7.安全閥排放信號。

該部分傳感器如圖3所示，通常安裝在所需要檢測設備狀態(tài)的附近，具體以能夠準備反映閥門或者設備運行狀態(tài)的位置為核心原則。

監(jiān)測管理系統(tǒng)搭建

監(jiān)測系統(tǒng)的搭建除了將傳感器系統(tǒng)接入之外，更加重要的是將系統(tǒng)的信號關聯(lián)組合，給出振動和水錘的監(jiān)控和預警信息，并促進生產(chǎn)或者操作工藝的優(yōu)化調(diào)整。當所有傳感器信號接入之后，可以通過以下3個步驟進行監(jiān)測管理系統(tǒng)的搭建：

首先，對管線系統(tǒng)及上下游工藝設備進行排查。將生產(chǎn)步驟和設備操作步驟制成清單，每次進行生產(chǎn)操作時，記錄各個設備及整個系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)的變化，同時人工巡檢現(xiàn)場管道系統(tǒng)，觀察振動異常或者水錘發(fā)生點的位置和時間。

然后，進行數(shù)據(jù)篩選整理。將數(shù)據(jù)分為兩部分，管道系統(tǒng)正常運行數(shù)據(jù)及異常數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)處理，可以整理出系統(tǒng)正常運行時各個參數(shù)的常規(guī)指標，比如振動速度、振動頻率等，并結合相關法規(guī)，給出工廠內(nèi)的運行管理指標。

最后，實現(xiàn)預警功能該部分的處理可分兩類，第一類是上面第二步中制定的廠內(nèi)標準，一旦逼近或者超過給出報警信號；第二類是提前預測性，該部分功能的實現(xiàn)主要從系統(tǒng)運行的異常指標中整理并通過相應的數(shù)學計算形成危險等級的評估，達到不同的階段在給出預警信號的同時，給出相應的行動建議。

管道振動水錘的治理措施

1.常規(guī)的管道振動治理可參考以下工作。

中國進口乳制品的主要銷售市場以沿海省份為主。以2016年為例，中國乳制品進口額在全國排前10位的省(市、自治區(qū))主要有上海、廣東、浙江、北京、天津、福建等。這些省(市、自治區(qū))進口量較多的原因一是其受地理位置和自然資源條件影響，適合放牧區(qū)域較少;其二這些區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展程度較高，人口較為密集，相應的市場需求和購買能力也較為充裕，區(qū)域消費能力的不斷提升帶動了乳制品消費的增長。

1）找出激振源并降低或者消除激振力。

2）改變管道系統(tǒng)的約束或者更改管道布局結構，降低管道振動響應。

3）優(yōu)化關聯(lián)系統(tǒng)尤其是閥門的運行方式以降低管系振動。

4）對治理后的管道重新做評估和測評。

2.對于振動明顯且有規(guī)律的管道可參考以下工作。

1）觀察管道振動形態(tài)，掌握管道主振型。

3）觀測同時段以及同時段之前的上下游工藝操作步驟，并評估系統(tǒng)關聯(lián)性。

4）減振方案應綜合考慮管道主振型、管道熱位移、廠房結構的因素，同時需要評估對于管道焊接部位的影響。

5）可能使用的減振措施除了硬件的改善之外，還包括管道及工藝運行操作習慣。

3.對于振動形態(tài)比較復雜或者振動劇烈的管道，可參考以下工作。

1）分析管道振動或者水錘原因，如果是由于閥門或者設備的運行方式等原因引起的，應該優(yōu)先進行改進或者運行優(yōu)化，以降低或者避開振動。

2）掌握管道的主要振動或者水錘類型，進行振動測試和評估，必要時進行管道模態(tài)計算，掌握管道振動特征。

3）減振方案除了綜合考慮這些內(nèi)容之外，還需要進行管系應力運行的分析，掌握對現(xiàn)有管道的強度影響程度，并進行適應性評估。

4）減振方案實施后應觀察記錄或者測試減振效果，并對減振效果進行評估驗收。

管道振動的發(fā)生是隨著壓力、溫度、流量、設備以及天氣等各種因素的影響不斷地變化，企業(yè)生產(chǎn)工藝的改變往往也會帶來振動水錘的發(fā)生，所以降低管道振動并消除水錘是一項綜合性的工作。

本文簡述了管道振動系統(tǒng)在設計時需要注意的關鍵點，并提出了一些管理和應對措施，希望能夠對企業(yè)蒸汽管道系統(tǒng)的運行安全帶來幫助。 ●