楊建江， 何立東， 陳 釗， 楊 揚(yáng)

(北京化工大學(xué)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(chǎng)情況以及相應(yīng)的儲(chǔ)運(yùn)及管網(wǎng)、公用工程等配套設(shè)施，重交瀝青裝置可針對(duì)加工原料進(jìn)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(duì)環(huán)境的污染，還可以擴(kuò)大原料范圍，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有資源價(jià)值最大化[1]。重交瀝青裝置的進(jìn)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(yùn)行中狀態(tài)平穩(wěn)，一旦泄漏，造成的后果損失相當(dāng)嚴(yán)重。河北某煉油廠的1#重交瀝青裝置進(jìn)料管道自提高運(yùn)行負(fù)荷以來就一直存在振動(dòng)過大的問題，振動(dòng)過大會(huì)加快管道的疲勞破壞，縮短管道的使用壽命，久而久之會(huì)造成裝置連接接口損壞失效、吊架斷裂甚至管道爆破，嚴(yán)重時(shí)外泄的介質(zhì)會(huì)引發(fā)較大火災(zāi)、爆炸等安全事故[2]。

當(dāng)前熟知的管道振動(dòng)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(duì)控制裝置管道內(nèi)介質(zhì)的壓力脈動(dòng)，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(yuǎn)離共振區(qū)域。在實(shí)際工程中，大多將隔振、阻尼減振、動(dòng)力吸振等方法運(yùn)用在現(xiàn)有管道系統(tǒng)中來降低管道振動(dòng)[3]。

本文對(duì)河北某煉油廠1#重交瀝青裝置進(jìn)料管道的振動(dòng)情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況以及管道模態(tài)計(jì)算，分析得出管道振動(dòng)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(dāng)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(dòng)，保障設(shè)備管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 進(jìn)料管道參數(shù)及振動(dòng)情況

本次改造的管道為某煉油廠1#重交瀝青裝置進(jìn)料管道，管道內(nèi)介質(zhì)為經(jīng)過預(yù)處理的原油，通過車間一層的換熱器升溫至260 ℃以上后進(jìn)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(zhǎng)18 m左右。第50頁(yè)圖1為重交瀝青裝置進(jìn)料管道的現(xiàn)場(chǎng)走向圖，如圖所示，進(jìn)料管道在裝置前有連續(xù)兩個(gè)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(jī)組運(yùn)行過程中，彎頭1和彎頭2處振動(dòng)較大，彎頭1處振動(dòng)值可達(dá)7 mm，管道的晃動(dòng)幅度肉眼可見，已經(jīng)導(dǎo)致懸掛角鐵焊口開焊。

圖1 進(jìn)料管道現(xiàn)場(chǎng)走向圖

如此強(qiáng)烈的振動(dòng)，使得車間無法提高裝置運(yùn)行負(fù)荷，導(dǎo)致無法滿足相應(yīng)效益指標(biāo)。更嚴(yán)重的是長(zhǎng)期大幅度的振動(dòng)會(huì)造成管道疲勞破壞，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)料管道與裝置連接處的焊縫產(chǎn)生裂紋，引發(fā)嚴(yán)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(jìn)料管道振動(dòng)分析

2.1 管道振動(dòng)原因

管道振動(dòng)的原因是相當(dāng)復(fù)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(huì)存在的流固耦合作用，通常會(huì)引起管道的振動(dòng)[5]。重交瀝青裝置進(jìn)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(jìn)料前通過換熱器升溫時(shí)，原料油中的水分就會(huì)氣化，管道內(nèi)介質(zhì)便會(huì)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(fù)雜，因此在經(jīng)過變徑管道、彎頭和閥門時(shí)速率方向會(huì)發(fā)生變化，這就會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生相應(yīng)激振力。這時(shí)管內(nèi)兩相流體與管道之間就會(huì)產(chǎn)生相互作用，兩相流體的流動(dòng)過程和產(chǎn)生的激振力中會(huì)引起管道內(nèi)壁沖刷與點(diǎn)蝕，導(dǎo)致管壁非均勻減薄，所以內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)會(huì)造成管道振動(dòng)，與此同時(shí)，振動(dòng)的管道也會(huì)對(duì)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(jìn)料管道較長(zhǎng)，然而僅存在兩處剛性三角支承，缺少約束導(dǎo)致管道系統(tǒng)整體剛度偏小。同時(shí)，管道的兩個(gè)連續(xù)彎頭及三通距離較近，當(dāng)介質(zhì)通過管道彎頭和三通時(shí)，流速和方向會(huì)不斷變化，形成渦流，從而引起管道振動(dòng)。彎頭處的最大振動(dòng)值可達(dá)7 mm，晃動(dòng)幅度肉眼可見，遠(yuǎn)超美國(guó)普度安全標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 管道模態(tài)有限元分析

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

模態(tài)計(jì)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(jìn)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(dòng)；管道第四階固有頻率為8.52 Hz，三通處振型為上下擺動(dòng)，彎頭3處振型為左右擺動(dòng)。

圖2 進(jìn)料管道三階模態(tài)下的振型和位移云圖

圖3 進(jìn)料管道四階模態(tài)下的振型和位移云圖

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)及表1、圖2、圖3，可以進(jìn)一步總結(jié)管道振動(dòng)的原因：

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得管道振動(dòng)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(huì)直接造成管道振動(dòng)振幅增大，形成大幅度晃動(dòng)。管道的主要振動(dòng)形態(tài)為彎頭1、2處與三通處呈現(xiàn)上下擺動(dòng)，彎頭3處呈現(xiàn)左右擺動(dòng)，這與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量觀察的振動(dòng)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(dòng)載荷時(shí)，會(huì)將沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能釋放出去。由動(dòng)力學(xué)原理可知，振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)能量想要衰減，那么系統(tǒng)中必須存在阻尼，且當(dāng)系統(tǒng)處于共振階段時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致振幅加強(qiáng)而使振動(dòng)系統(tǒng)失穩(wěn)。在實(shí)際工程中，雖然管道系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)能量消耗掉，這樣可使整個(gè)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(dòng)傳遞到阻尼器上體部分，帶動(dòng)被高分子黏滯流體包圍的活塞與缸套之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)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(dá)到抑制管道振動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)，耗散振動(dòng)能量。

3.2 阻尼減振原理

系統(tǒng)的振動(dòng)衰減的本質(zhì)是系統(tǒng)中存在阻尼。當(dāng)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(dá)到平衡。黏滯阻尼模型簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 黏滯阻尼模型簡(jiǎn)圖

結(jié)合圖4與式(1)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(shí)可增強(qiáng)其對(duì)外界激振力F的抵消能力，因此對(duì)管道振動(dòng)能量的消耗就會(huì)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(jì)算結(jié)果、阻尼器所用空間和現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)位置分布圖如圖5所示。

圖5 阻尼器現(xiàn)場(chǎng)位置分布圖

三個(gè)彎頭處的振動(dòng)能量主要由阻尼器1、2、4、5進(jìn)行耗散，三通的振動(dòng)主要由阻尼器3進(jìn)行耗散，5個(gè)阻尼器聯(lián)合作用控可制整條管道的振動(dòng)，大大減小管道振動(dòng)振幅，保障裝置運(yùn)行安全。阻尼器的設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場(chǎng)施工如圖6所示。

圖6 阻尼器的設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場(chǎng)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(gè)阻尼器的位置進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，將各位置阻尼改造前、后測(cè)得的主要振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，管道阻尼減振前、后的振動(dòng)幅值對(duì)比如圖7所示。

圖7 設(shè)置阻尼器前后管道各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值對(duì)比圖

圖7表明，改造前管道測(cè)點(diǎn)振動(dòng)最大振幅可達(dá)7 mm，安裝黏滯阻尼器后，在設(shè)備正常負(fù)荷運(yùn)行情況下，可將振幅降至1 mm以下，抑制管道振動(dòng)效果明顯，消除現(xiàn)場(chǎng)安全隱患，機(jī)組順利正常平穩(wěn)運(yùn)行。

5 結(jié)語

為降低重交瀝青裝置進(jìn)料管道的振動(dòng)，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(dòng)較大的部位，可以有效地耗散管道的振動(dòng)能量。相對(duì)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(jìn)行減振方面具有優(yōu)越性。

本文運(yùn)用ANSYS對(duì)重交瀝青裝置進(jìn)料管道系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算，根據(jù)其各階固有頻率及對(duì)應(yīng)振型分析管道劇烈振動(dòng)的原因，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況在不改變管道結(jié)構(gòu)、不停車的情況下對(duì)進(jìn)料管道進(jìn)行阻尼減振改造，減振效果明顯，消除了安全隱患，保證了機(jī)組安全高效的運(yùn)行。