PTA裝置試車階段物料管道振動的影響因素淺析

上官少鵬

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

精對苯二甲酸(PTA)作為重要的有機原料，廣泛應用于化學纖維、輕工、電子、建筑等各個領域。國內市場中，75%以上的PTA用于生產聚酯纖維，20%的PTA用于生產聚酯瓶。近年來，因下游聚酯行業對原料PTA的需求日益增加，PTA裝置生產規模不斷擴大，最大單線生產能力已達2 200 kt/a[1-2]。但是，隨著裝置產能的增加，物料流量和管道管徑也隨之增大，在大流量、高揚程的影響下，管道配置不當等易引起物料管道產生振動。物料管道振動作為安全隱患，已成為不可忽視的重要工程問題之一。

管道系統越龐大，振動問題越復雜，這要求在進行管道設計時，對于關鍵管道不僅要進行靜力分析，同時還要進行動力分析，通過計算機軟件模擬管道在不同工況下的振動狀態。動力分析主要包含管道固有頻率分析、管道強迫振動響應分析、往復式壓縮機(泵)氣(液)柱頻率分析及往復式壓縮機(泵)壓力脈動分析等。

PTA裝置試車階段產生的物料管道振動，往往與預試車和冷、熱試車各階段里程碑事件密不可分，通過試車可以預先發現容易產生振動的物料管道。

作者通過對多套PTA裝置試運行階段的考察，對PTA裝置試車階段物料管道產生振動的原因進行分析，針對控制閥管道布置、結晶器頂部氣相管線、精制單元漿料輸送管系等與振動相關的實際問題，運用CAESAR II軟件對管道系統進行模擬分析，制定解決措施，以供同行借鑒。

1 PTA裝置試車階段物料管道振動的影響因素及解決措施

在PTA裝置試車過程中，易發生振動的物料管道通常與物料的溫度、相態和操作工況等密不可分，管道吹掃時蒸汽溫度過高和流速過快、氣相管道升溫和液相高速管道產生相態變化、離心泵單機試車全回流以及閥門開度小等情況均易造成管道的劇烈振動，甚至產生破壞。

1.1 管道系統管徑配置

在管道設計中，管道的管徑和阻力降通過計算確定[3],若管道的管徑設計未能有效核算或配置不合理，再加上管道中存在調節裝置，調節裝置的口徑又相對較小，即會導致管道出現2～3級的縮徑，物料在流經調節裝置時，壓力急劇變化，從而影響管道內流體的流動形態，形成激振力，導致管道發生振動。

若試車階段發現個別調節閥口徑明顯小于管道直徑，當流體流經調節閥時流速突然增加，靜壓力驟然下降，出現出口壓力低于該流體此時的飽和蒸汽壓，產生兩相流，管道產生振動，可選用球閥、蝶閥等壓力恢復系數小的閥門類型，控制閥門前后壓差小于2.5 MPa；也可選用角型調節閥，減少對體壁的直接沖擊，減弱閃蒸的破壞[4]。

另外，有些管道系統在回流管線上設置有調節閥組，在離心泵等設備全回流試車時，若調節閥組口徑與回流管線管徑不匹配，也會造成回流管道流速較高，且調節閥局部流速更高，使管道發生振動。

再者，若管徑選擇偏小，管內流體流速會較高，如有些液體流速超過6 m/s，就不易形成穩定的流態，在縮徑或流向變化時，產生較大激振力，引起管道振動。

遇到上述問題，需要不斷加強專業間協同工作，盡量采用合理的流速和管徑，避免多檔縮徑，并校核管道系統的振動問題。

1.2 管道布置

在PTA項目建設中，為節省項目投資和占地，設備布置較為緊湊，管道布置不合理、錯綜復雜，缺少足夠的直管段，也會導致物料管道產生振動。例如在調節閥后直連異徑管和彎頭，物料管道上連續出現數個彎頭等均造成流向頻繁變化，引起管道振動。如圖1所示，因管道布置空間受限，調節閥后緊接異徑管和數個彎頭，試運行時管道出現明顯的振動。經過對調節閥前后的支吊架進行加固和限位(分別在調節閥前后彎頭處及設備進出口增加限位)，振動明顯減弱。

圖1 調節閥前后管道布置Fig.1 Pipeline layout before and after control valve

設備布置宜按照工藝流程順序階梯布置，并應滿足管道應力[3]和工藝要求配置管道系統。對于高揚程、大流量的管道提前規劃，避免物料流向頻繁變化，可防止管道產生振動。

1.3 支吊架類型

易振動管道系統應采取有效的止振措施，如粉料輸送管道應設防振支架[3]，若管道系統采用的支吊架類型不合適，也會導致物料管道產生振動。在流體管道中，為控制壓力和流量，安裝有各種閥門，而設計時往往易忽視閥門附近的管架剛度，在這些閥門隨壓力和流量變化發生動作時，包含這些泵和管道的系統即會產生劇烈的自激振動。此類問題主要體現在對于管道參數的不了解，閃蒸氣管道和大流量管道在滿足管道應力的情況下，要盡量保證管道的剛度，對于可預見的情況要增加管道支吊架數量，提高管道剛度，應使用門字支吊架，而不是圓鋼支吊架。在PTA裝置試車過程中，結晶器頂部氣相管道出現過振動，分析其原因是管架設置不合理，管架設計比較單薄所致。如圖2所示，結晶器頂部氣相管道僅設置了2個彈簧支架(F2型式)，彈簧上配有滾珠盤，可在多方向上自由滑動。經應力計算校核，按照實際的節點位移方向，將滾珠盤改為滾輪，并對彈簧一次支架進行加固和限位(分別在氣相管線彈簧處和安全閥出口處增加限位和導向)，試運行過程中管道振動明顯消除。

圖2 結晶器頂部氣相管道支吊架組合設置Fig.2 Combination of supports and hangers of gas phase pipeline at the top of mould

1.4 管道與設備共振

在連接往復壓縮機的管道系統中，當管道內氣柱的固有頻率與壓縮機的周期性排氣的頻率一致時，管道內的氣柱便出現共振，這不僅可引起管道系統的強烈振動，還可造成壓縮機性能的降低，甚至會對管道產生破壞。尤其是對于裝有高壓氣體、有毒氣體、可燃性氣體的管道，管道內流體的共振是非常危險的，應當避免共振的產生[5]。

消除壓縮機與管道共振，可通過增加限流孔板、加固管線和增加支撐等方法：(1)排出管道適當位置加裝孔板，增加管段內的流體壓力的均勻度，減少氣流脈動；(2)吸入排出管道支架與設備基礎脫離，且支架高度盡可能低，管架應設在彎頭、分支、標高有變化以及集中荷載附近；(3)對于壓縮機出口管道，管系結構的最低階固有頻率不得低于8 Hz，通常將管系固有頻率控制在設備激振頻率的1.2倍以上。

1.5 試車流程

在PTA裝置試車階段，試車流程不規范、不合理，同樣會導致物料管道產生振動。如在項目建設末期，為期趕工，試車和安裝一并進行，整體管道尚未完成裝配即采用泵出口全回流試車，因回流管線的設計流量僅為機泵額定流量的1/3，提前試車即會導致回流管線流速過快，引起管道振動。

另外，試車過程中流量控制不夠嚴格，機泵易產生喘振。對于泵系統，喘振會使容器內水面劇烈波動；對于鼓風機和壓縮機系統，喘振會產生巨大噪音。所以這些流體設備運行時，不能使其進入喘振區，即流量限于喘振邊界的范圍內工作。即使產生喘振，也應準確地分析出喘振的原因[5]，采取相應的措施予以消除。

針對試車流程不規范、不合理現象，應加強管理，制定施工計劃和試車方案，嚴格按照計劃(預試車和冷、熱試車各階段的里程碑事件)進行實施。化學工業建設項目中試車階段的劃分及里程碑事件[6]見表1。

表1 試車過程中各階段的里程碑事件Tab.1 Milestone events of each stage during commissioning

2 管道振動模擬分析

物體按照某一階固有頻率振動時，物體上各個點偏離平衡位置的位移滿足一定的比例關系，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型，這些模態參數可由計算或試驗分析取得。

CAESAR II作為應力分析軟件，比較適合對復雜管道進行動態分析，根據其動態分析模塊中的模態分析可計算復雜管道的固有頻率。任何系統的振動響應或動態響應都可以使用模態分析進行確定。在實際情況下，模態分析時將復雜的系統分解成多階振動模態，每階模態都具有各自獨特的振動響應，結合現場運行的實際振型，即可找出其對應的固有頻率階次。通常可采用零間隙導向和限位架或防震管卡來控制系統的振動頻率，但增加導向和限位架后，會增加系統的剛度，進而導致二次應力的增加，因此需要再次進行靜態分析，以保證分析系統的準確性和安全性。

2.1 管道系統固有頻率的控制

對于振動管道，采用計算機進行模態分析，是目前較為有效的手段。通常，對于固有頻率的控制原則是裝置內管道和外管道的固有頻率應分別不小于4.0 Hz和2.55 Hz[7]。但通過對產生振動的管道系統分析，發現項目設計前期的應力計算與分析主要放在一次應力、二次應力和管口應力校核，而忽視了系統的動態分析，這易導致在裝置試運轉階段管道振動集中發生。

例如，精制單元漿料輸送管道系統(見圖3)在熱試車階段劇烈振動，通過對應力模型進行模態分析，系統低階固有頻率僅為0.116 Hz，經過對模型中支吊架進行有效的限位和導向，其系統低階固有頻率提高到4.731 Hz。

圖3 漿料輸送管道系統示意Fig.3 Schematic diagram of slurry transportation pipeline system

在熱試車過程中，漿料輸送管道系統泵出口管道振動明顯，觀測現場的振動型態與15介模態比較接近。振動原因主要由于物料輸送過程中壓力變化及沖擊引起管道自激振動。結合計算機模擬結果現場調整支架位置和增加導向，再次熱運后振動消除。

易產生振動的管道往往設置有彈簧，其支撐的型鋼剛度應盡量大一些，以保證系統所受激勵頻率遠離彈簧的固有頻率。當系統的固有頻率在4～5 Hz以下時，宜用金屬彈簧。但是，當固有頻率極低時，則不宜選用金屬彈簧。

2.2 安全閥排放反作用力的影響

熱試車階段，因操作條件、運行工況的變化，可引起安全閥的起跳。安全閥動作后泄放的物料以多相流為主，壓力和相態的變化可造成管道系統的振動。但系統分析過程中易忽視安全閥排放反作用力對管道系統的影響，導致支吊架強度不夠。

借助CAESAR II應力分析軟件，對結晶器頂部氣相管線上的安全閥進行分析，安全閥出口處瞬時泄放的反作用力達31 617 N，沿排放管線，排放管出口的作用力逐漸減小到17 963 N。

將計算所得反作用力的兩倍數值加載于距排出管口最近的彎頭處，以校核反作用力的單倍數值作用于安全閥出口的影響。對于兩相流系統，排放中易形成活塞流而在彎頭處產生激振，要求管道支架更堅固。典型的安全閥排放管道支架約束型式見圖4。

圖4 管道及設備上的安全閥排放管道支架約束型式Fig.4 Constraints type of safety valve releasing pipe supports for pipeline and equipment

實際操作過程中，為避免管道振動，排放管道應有合適的支撐及限位，出口管道第一個支架應優先考慮生根于安全閥所保護的設備或管道的頂部，并保證有足夠的強度，同時，動態模擬中管系的低階固有頻率需控制在5.0 Hz以上，以保證具有足夠的穩定性。

3 結論

a. PTA裝置試車階段產生管道振動的影響因素有多種，如物料管道管徑的選擇、設備和管道的布置、支吊架的類型、管道與設備共振以及試車流程等。管道系統管徑合理匹配、設備和管道合理布置、選擇合適的支吊架類型、消除設備與管道共振、嚴格按計劃執行試車方案等，可防止物料管道產生振動。

b. 結合現場振動管道的實際型態，運用CAESAR II軟件對管道系統進行模態分析，增加適當的導向或者限位，提高其低階固有頻率，可防止管道振動。但過多的導向和限位會導致二次應力的增加，需要對應力模型反復校核與計算。

c. 借助計算機軟件對安全閥管道系統的反作用力進行分析和評價，設置合適的支撐和限位，提高系統低階固有頻率，可有效保證管道系統的安全性和穩定性。