丁烯離心泵和柱塞泵的管道振動(dòng)分析及阻尼減振研究*

陳 果，何立東，韓萬(wàn)富，裴正武

（北京化工大學(xué)診斷與自愈工程研究中心，北京100029）

0 引言

在石化企業(yè)中，離心泵和柱塞泵是應(yīng)用廣泛的一種機(jī)械設(shè)備，其附屬管線由于長(zhǎng)期工作在振動(dòng)交變載荷作用下，常常會(huì)因?yàn)槠诙斐蓳p壞，嚴(yán)重的甚至?xí)斐蓹C(jī)泵整機(jī)的報(bào)廢。因此，必須對(duì)其進(jìn)行分析研究，并加以處理，使機(jī)泵系統(tǒng)處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，以延長(zhǎng)機(jī)泵使用壽命［1］。

遼寧某廠車間一裝置中對(duì)原料丁烯進(jìn)行加壓的離心泵和后續(xù)增壓柱塞泵進(jìn)出口管道存在振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，本研究通過(guò)對(duì)離心泵和柱塞泵進(jìn)出口管道振動(dòng)頻率及振幅進(jìn)行測(cè)量，運(yùn)用CAESARⅡ軟件對(duì)管道進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析；根據(jù)管道模態(tài)計(jì)算分析結(jié)果，運(yùn)用管道阻尼減振技術(shù)在管道上的合適位置安裝阻尼器，以對(duì)其進(jìn)行減振。

1 阻尼減振技術(shù)原理分析

管道系統(tǒng)在任意時(shí)刻的能量方程為：

Et=Es+Ef

式中：Et—振動(dòng)過(guò)程中輸入給管道系統(tǒng)的能量，Es—管道系統(tǒng)自身的耗能，Ef—附加耗能構(gòu)件（如阻尼器）的耗能。

從能量守恒觀點(diǎn)分析，Et一定時(shí)，增大阻尼器的耗能Ef，管道系統(tǒng)自身振動(dòng)能量Es將減小，管道系統(tǒng)振動(dòng)降低［2］。

阻尼器是一種應(yīng)用廣泛的耗能減振設(shè)備，其內(nèi)部有活塞桿和大量粘滯性阻尼液。當(dāng)阻尼器與管道連接后，管道振動(dòng)傳遞到阻尼器中的活塞，使其在高粘度阻尼液中產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了強(qiáng)大的摩擦力和剪切力，來(lái)阻礙阻尼器活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，活塞把阻尼液提供的阻尼力反饋給管道，相當(dāng)于增加了整個(gè)管道系統(tǒng)的阻尼，該過(guò)程中阻尼器把管道振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能而耗散掉，因此系統(tǒng)振動(dòng)能夠被有效抑制，最終達(dá)到減振的目的［3-7］。

2 離心泵進(jìn)出口管道振動(dòng)改造

2.1 離心泵進(jìn)出口管道振動(dòng)情況

遼寧某廠車間加壓離心泵進(jìn)出口管道實(shí)際分布如圖1所示。管道規(guī)格為Φ 219 mm×8 mm，介質(zhì)為丁烯氣體，介質(zhì)溫度為90 ℃～120 ℃，離心泵轉(zhuǎn)速是2 940 r/min，揚(yáng)程是55 m水柱，把初始?jí)毫?.55 MPa的丁烯氣體提高到1 MPa。

圖1 離心泵進(jìn)出口管道實(shí)際分布圖

裝置自運(yùn)行以來(lái)，由于離心泵進(jìn)出口管道的位置高度差為3.5 m，介質(zhì)輸送過(guò)程中勢(shì)能與動(dòng)能迅速發(fā)生較大轉(zhuǎn)化，至使介質(zhì)流速發(fā)生急劇變化，同時(shí)該部分管道在較小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了11個(gè)彎頭，并且為了滿足同時(shí)為兩臺(tái)離心泵提供介質(zhì)，管道采用2 個(gè)倒T 型分支管，介質(zhì)流過(guò)彎頭和T 型管時(shí)容易引起介質(zhì)流速和流向均發(fā)生急劇變化、管道內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)，對(duì)管道產(chǎn)生較大沖擊，致使離心泵進(jìn)出口管線振動(dòng)強(qiáng)烈。試車時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)主管道多處位置的振動(dòng)幅值超過(guò)0.6 mm，離心泵進(jìn)口處直徑50 mm的支管振幅達(dá)到2.4 mm，均已達(dá)到美國(guó)普度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定危險(xiǎn)區(qū)域，必須進(jìn)行減振處理。當(dāng)前，為了控制管道的振動(dòng)，筆者在管道的出口處使用了木頭對(duì)管道進(jìn)行固定約束，但是管道的強(qiáng)烈振動(dòng)經(jīng)常將固定用的木頭振松，使設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)很大的安全隱患。

2.2 離心泵管系的模態(tài)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管道尺寸的測(cè)量數(shù)據(jù)，本研究運(yùn)用CAESARⅡ軟件對(duì)管道進(jìn)行1∶1建模，離心泵管道模型如圖2所示。

圖2 離心泵進(jìn)出口管道模型圖

建好管道的有限元模型之后，本研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道的實(shí)際工況在管道上加上相應(yīng)的約束條件，以計(jì)算管道的模態(tài)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，離心泵管道在ABC、DE、FGH處管道振動(dòng)劇烈，振幅很大，而且振動(dòng)頻率為16.49 Hz，通過(guò)分析計(jì)算，管道的第6階振動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率為16.89 Hz，其振型如圖3所示。

研究者可以算出其共振區(qū)域?yàn)?3.51 Hz～20.27 Hz，實(shí)際振動(dòng)頻率剛好落在該管系的共振區(qū)域之內(nèi)，所以該管道振動(dòng)的主要原因是發(fā)生了共振。本研究將以第6階模態(tài)為依據(jù)［8-9］制定減振方案。

2.3 離心泵管系減振方案及減振效果

根據(jù)離心泵模態(tài)分析結(jié)果，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在不改變管道原有結(jié)構(gòu)的情況下，本研究在管道振動(dòng)幅值較大的位置安裝阻尼器。

阻尼器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖4所示。

圖3 離心泵進(jìn)出口管道第6階振動(dòng)模態(tài)

圖4 離心泵管道阻尼器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

現(xiàn)場(chǎng)安裝上阻尼器之后，本研究使用測(cè)振儀對(duì)離心泵進(jìn)出口管道按如圖5所示測(cè)點(diǎn)測(cè)量管道各個(gè)位置的振動(dòng)幅值。各點(diǎn)振動(dòng)幅值如表1所示。振動(dòng)幅值減振前后變化比較如圖6所示。

圖5 離心泵管道振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置圖

由表1 中總結(jié)的減振前、后管道振動(dòng)幅值可以得出，在改造前，增壓離心泵處的主管道振動(dòng)就已經(jīng)非常大，最大振動(dòng)幅值為1.29 mm，改造后最大振動(dòng)幅值為0.14 mm，最大降幅為89.8%；表1中測(cè)點(diǎn)4、5的振幅值為增壓離心泵主管道旁路DN50管道減振前后的振動(dòng)幅值。由表1中數(shù)據(jù)知，DN50管道的最大振幅由減振前的3.1 mm 下降為減振后的0.27 mm，最大降幅為91.3%，減振效果非常好［10-11］。

表1 離心泵管道阻尼器安裝前后振幅對(duì)比表

圖6 離心泵管道減振前后各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值變化圖

3 柱塞泵進(jìn)出口管道振動(dòng)改造

3.1 柱塞泵進(jìn)出口管道振動(dòng)情況

圖7 柱塞泵進(jìn)出口管道局部圖

進(jìn)料柱塞泵進(jìn)出口管道局部圖如圖7所示。管道規(guī)格為Φ 219 mm×8 mm，介質(zhì)為丁烯氣體，介質(zhì)溫度為90 ℃～120 ℃，丁烯氣體經(jīng)過(guò)離心泵增壓至1 MPa后被輸送到柱塞泵處，再把壓力提高到6 MPa，柱塞泵轉(zhuǎn)速是1 490 r/min。柱塞泵在工作的過(guò)程中由于柱塞泵往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壓力脈沖，壓力脈沖作為激發(fā)管道振動(dòng)的主要激振力，當(dāng)脈沖頻率與管道的固有頻率發(fā)生共振時(shí)，會(huì)引起管道的強(qiáng)烈振動(dòng)。同時(shí)，管線中連續(xù)出現(xiàn)9個(gè)彎頭、2個(gè)丁字路口和管道中缺少固定約束也是管道產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的主要原因，雖然后來(lái)增加了很多支撐，但是在壓力升到3.5 MPa時(shí)，管道最大振幅就已經(jīng)超過(guò)0.5 mm，達(dá)到美國(guó)普度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定危險(xiǎn)區(qū)域，必須進(jìn)行減振處理。

3.2 柱塞泵管系的模態(tài)分析

本研究運(yùn)用CAESARⅡ軟件對(duì)柱塞泵管道所建的有限元模型如圖8所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，柱塞泵管道在A、BC、DE、FG、HI處管道振動(dòng)劇烈，振幅很大，而且振動(dòng)頻率為16.49 Hz，通過(guò)分析計(jì)算，管道的第11 階振動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率為16.23 Hz，其振型如圖9所示。可以算出其共振區(qū)域?yàn)?2.98 Hz～19.48 Hz。實(shí)際振動(dòng)頻率剛好落在該管系的共振區(qū)域之內(nèi)，所以該管道振動(dòng)的主要原因是發(fā)生了共振。減振方案的制定將以第11階模態(tài)為依據(jù)。

圖8 柱塞泵進(jìn)出口管道模型圖

圖9 柱塞泵進(jìn)出口管道第11階振動(dòng)模態(tài)

3.3 柱塞泵減振方案及減振效果

根據(jù)柱塞泵進(jìn)出口管道模態(tài)分析結(jié)果，本研究在振幅位置最大的地方安裝阻尼器。柱塞泵管道在安裝阻尼器前后管道各點(diǎn)的振動(dòng)幅值如表2所示，該部分管道的最大振動(dòng)降幅為69.5%，減振后振動(dòng)幅值都低于0.2 mm，滿足美國(guó)普度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全范圍，管道可以用于安全生產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

離心泵和柱塞泵管道系統(tǒng)振動(dòng)現(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重影響到石化行業(yè)的生產(chǎn)安全，必須加以控制，以保證生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

管道系統(tǒng)振動(dòng)的原因比較多，最常見(jiàn)的是管道結(jié)構(gòu)由于流體壓力的脈動(dòng)產(chǎn)生共振，以及管道的彎頭及閥門處流體的沖擊造成的振動(dòng)。本研究通過(guò)運(yùn)用CAESARⅡ軟件對(duì)管道進(jìn)行模態(tài)分析，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，并得到了管道振動(dòng)原因，從而為阻尼器安裝提供了可靠的依據(jù)。管道阻尼器可以在不改變管道結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行減振，并且在不停機(jī)的狀態(tài)下安裝，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。

以上實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果證明，管道阻尼器能夠有效控制管道的振動(dòng)，保證生產(chǎn)的安全，延長(zhǎng)管道的使用壽命。

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