柴油加氫裝置兩相流工藝管線振動分析及減振控制

蘇建軍

（陜西延長石油（集團）有限責任公司榆林煉油廠，陜西 靖邊 718500）

本文結合現場管道振動實例，對可能引起管道振動的原因進行了分析。通過及時采取有效措施，使管道振動問題得到解決，確保其安全生產。并且對類似兩相流管系的穩定性設計給出了建議，為消除同類裝置的安全隱患，確保裝置的安全平穩運行提供參考。

一、兩相流的特性

氣液兩相流應從相開始論述，相其實在物理學上是物質的一種集態。固體具有固相，液、氣體分別具有液相和氣相。自然界一般存在有三相，即固、液、氣。在流動系統中，若有兩相介質，就叫作兩相流，多于兩相，則稱作多相流。氣液兩相流就是流動系統中存在有氣體和液體兩種相態。

（一）流型的多變性。流型在研究流體流動中具有重要的意義。單相流可分為層流和紊流，但氣液兩相流中，除了各相內部的作用外，還存在有相與相之間的相對運動，相對運動會產生相對位置的變化，相對位置變化會改變作用的方向和大小，又會形成新的流型。由于輸流管道一般較長，所以力的分布會很不均勻，因此在同一條管道中可能存在多種流型。

（二）相間作用力強。氣液兩相流中有非常強烈的相間作用力，很多流型的產生和改變都與其相間作用力有關。一般來說，流速越大，相間作用力越強越復雜，流型越不穩定。

二、氣液兩相流管道振動研究現狀

氣液兩相流管道流固耦合問題因氣液兩相流復雜性而研究成果甚少。研究氣液兩相流固耦合問題時通常采用理想的氣液混輸瞬態流動理論模型，理論模型可分為：均相流模型、雙流體模型、漂移流模型、無壓波模型。均相流模型將氣液混合物看成一種均勻介質，假設氣相和液相速度相等，兩相介質達到熱力學平衡，忽略氣液相間滑脫，認為氣液混合均勻和分散相體積濃度低，適用于氣泡流和彌散流。雙流體模型分別對氣液相分別建立連續性方程和動量方程，考慮了相間作用，可適用多種流型，主要用于分離流(分層流和環狀流)，也可用于段塞流。漂移流模型將管線中的兩相流體當成一種流體，考慮相間滑移，漂移速度和混合物速度呈線性關系，建立混合動量方程。對段塞流有很好的適應性。無壓波模型消除方程中的聲波現象。但采用以上理論模型建立起來的振動理論模型在流型為波狀流層狀流段塞流等流型會不適用，實際應用效果不好。

對于兩相流誘發振動問題，現有理論多集中于換熱器中氣液兩相流橫掠管束振動研究，包括周期性流動沖擊、流體彈性不穩定、紊流隨機激發及渦街振動，而對內流管道振動研究相對甚少。

三、管道振動現象

管道從高壓換熱器殼程出口至反應加熱爐入口管道。管道內介質是高溫油氣和氫氣，是典型的氣液兩相流管道。加熱爐為箱式爐，分兩路進料，操作溫度為366℃；操作壓力為8.7MPa。在裝置負荷達到239t/h 時(即換劑改造設計條件的100%負荷)，進料加熱爐入口管道彎頭部位有明顯振動，此時壓縮機、進料管線及高壓換熱器等負荷均達到操作上限。

四、管道振動原因

由于氣液兩相流氣相和液相比重相差較大，因此有可能產生管道振動。具體從工藝過程、管道支架設置、設備檢修幾方面對振動原因進行分析。

（一）工藝過程方面。經工藝計算，換劑改造后與原設計相比，化學氫耗由原設計的1.58%提高到2.34%，需要的新氫量(標準狀態)從原來的36000～40000m3/h 提高到50000～56000m3/h，反應深度增加，反應溫升提高14℃，冷氫量加大，轉化率提高，輕油收率尤其是重石腦油收率提高到30%，尾油收率降低至27%。

由于換劑改造后氣體量增加，使高壓換熱器和加熱爐入口壓降增大，流速較高，流量出現波動，可能引起局部管道的振動。

測量發現，循環氫流量存在波動。當循環氫流量波動增大時，管道振動的振幅和頻率也隨之增大。

（二）管道支架設置方面。對于易產生振動的兩相流管道，支架的設置和選型對改善管系的振動起著重要的作用，因此應選用防振支架或采取減振措施。

考慮到裝置開工期間的現場實施條件，對管道現有支架設置情況進行了重新核算，并采取以下緩解振動措施:

1.在加熱爐入口嘴子處增加限位支架，以避免由于加熱爐爐管支架松動、脫落導致的管道振動。

裝置檢修后再次開工，在達到滿負荷運行的情況下，爐入口管道幾乎沒有振動，因此可確定，管道振動還是由于高壓換熱器殼程結垢流通面積降低，壓降升高而引起的。

2.將加熱爐入口兩分支管線在膨脹彎處的彈簧吊架改為彈簧支架，以增加管道的摩擦力，并對支架鋼結構進行加固，同時增加軸向止推支架，以防止由于管道較高帶來的管系不穩定。

3.在入口總管恒力彈簧處增加導向擋塊，力爭改變管道振動頻率。

實施上述措施后，只對管道振動起到了一定的緩解作用，現場的振動情況仍未得到明顯改善。因此，引起管道振動的主要原因還沒找到。

五、預防措施和建議

（一）盡管各種原因都有可能引起管道振動，但對上述情況，主要還是由于高壓換熱器殼程管束結垢引起的。因此，為避免類似情況的發生，建議各煉油廠對加氫裂化裝置關鍵設備的檢修維護問題應引起足夠的重視，尤其是高壓換熱器應定期進行結垢清洗，做到徹底、干凈，保證清洗效果。并且保證原料阻垢劑的加注量，尤其在開工初期，要保證阻垢劑的加注量達到正常加注量的兩倍，防止換熱器管束外側較快出現垢阻層。但要特別注意的是，要嚴格控制阻垢劑中氯離子含量不能大于50×10-6(50ppm)，金屬含量小于1×10-6(1ppm)。

（二）對于大口徑螺紋縮緊環結構的高壓換熱器，管束數量至少上千根，要想將管束之間的積垢徹底清洗干凈并非易事。因此，在考慮布置管束形式角度時也應注意，在換熱器管束計算振動允許的情況下優先考慮90 度布置管束，避免有銳角出現，這樣可從管束結構布置上為其清洗干凈創造便利條件。

（三）由于反應進料加熱爐進出口管道是氣液兩相流管道，易產生管道振動。因此，在設置管系支架時，除了要考慮管道自身熱應力的因素外，還要考慮兩相流可能會引起管道振動的因素。支架間距、形式與位置應經過應力分析后確定。當管系經過應力分析計算，需要連續設置2 個彈簧支架時，應避免同時選用吊架形式，這樣能在不同程度上提高整個管系的穩定性，從而對管道振動起到一定的預防作用。