蒸汽管道噪音、風機出口管道振動問題的分析與解決方案

丁方園

(南京延長反應技術研究院有限公司，江蘇 南京 210043)

管道系統的噪音與振動一直是化工裝置運行中存在的問題，不僅嚴重影響著操作人員的身心健康，甚至還會帶來人員的傷亡和巨大的經濟損失。長時間大幅度振動，能夠使材料疲勞變形，從而使設備結構及管道系統遭到破壞，尤其是管道連接部位(如螺栓、閥芯、密封)的脫落和損壞，甚至會直接導致管道破裂，造成次生火災、爆炸和中毒等安全事故；影響壓縮機的工作狀態及工作效率，使管道附件(如閥門、儀表、過濾器等)損壞；還會影響操作人員的情緒，導致操作失誤[1，2]。對于石油化工企業，最重要的就是裝置能夠安全穩定地運行，管路系統的振動對企業經濟效益構成了巨大的威脅，王勇等[3]指出，美國每年因管道振動導致的事故在各種事故中排第二位，直接經濟損失高達100億美元。

因此，解決管道噪音與振動問題，是保證運行人員身心健康、生命安全和減少化工裝置事故損失的有效措施。現對項目現場蒸汽管道的噪音問題與風機出口管線振動問題進行分析，并有針對性地進行優化、改造，從而緩解管道的噪音與振動問題。

1 蒸汽管噪音問題的分析解決

1.1 蒸汽管噪音問題的原因分析

原飽和蒸汽管道的設計流量為4t/h，蒸汽壓力為0.4MPa(g)，蒸汽管道規格為φ133×4，設計流速為40.9m/s，而實際運行的流量為9.6t/h，流速達到了98.2m/s，此時的噪音值高達111dB，初步判斷流速太快是導致噪音過高的主要原因。對現場進行實地踏勘，發現蒸汽管道在安裝時，為了躲避干涉設置了一個Z形的彎折，導致蒸汽在管道中流動時形成強烈的湍流，進一步加劇了噪音的產生。

1.2 蒸汽管噪音問題的解決辦法及效果

針對上述情況，計劃對原管道進行擴徑，并重新敷設管道，但受現場安裝條件的限制，只能將管徑增加到φ159×4，將管道鋪設得更加順直。改造后運行的實際流量為9.8t/h，蒸汽壓力仍然為0.4MPa(g)，流速可以降低到68.7m/s，此時噪音值降低為95dB，降噪效果明顯。改造后噪音雖然仍然較高，但由于蒸汽管道距離平臺約有4.0m的距離，在平臺上巡檢時已經明顯沒有尖銳的氣流聲。可見對于靜設備的管路，介質流速是管道產生強噪音的主要原因，因此，建議蒸汽管道設計及運行流速應控制到40m/s以內，并且配管時應盡量避免連續轉彎的情況。

2 風機管道振動問題的分析與解決

2.1 風機管道系統設計情況

風機系統中共設置了3臺羅茨風機，分別為1#風機、2#風機和備用風機，其中1#與2#風機分別通過一路管道與后續設備連接，每路管道上設置1臺氣動蝶閥，備用風機出口母管后共設計了兩路支管，每路支管分別由1#和2#風機管道閥后接入，每路支管設置1臺氣動蝶閥，3臺風機出口均設置了軟連接，具體配管情況及閥門安裝位置見圖1。

圖1 風機管道系統布置

2.2 風機管道振動情況及原因分析

在1#與2#風機運行過程中發現出口管道振動劇烈，并伴隨強烈的噪音。在劇烈的振動下，3臺風機出口的氣動蝶閥發生了不同程度的損壞(見圖2、圖3)，1#與2#風機出口管氣動蝶閥閥板螺絲脫落、執行機構螺桿松脫，備用風機氣動蝶閥用于封堵的鋁板破裂。

圖2 1#、2#風機蝶閥損壞情況

圖3 備用風機蝶閥封堵鋁板損壞情況

為了進一步了解管道振動的劇烈程度，對管道及閥門的振動進行了檢測，具體檢測數據見表1。由表1可見，裸露在保溫棉外部的檢測位置(如風機出口管道、風機出口蝶閥執行機構)的振動位移值、振動速度、振動加速度值均比較高，同時需要說明，由于1#與2#風管的氣動蝶閥包裹在保溫棉中，無法準確檢測出實際的振動數據，因此文中沒有列出。

表1 改造前風機出口軟連接后管道、氣動蝶閥執行機構振動值

結合風機管道及附件的振動值與管道的布置情況，對風機管道系統劇烈振動的原因進行分析。風機出口管上設置了軟連接，風機產生的機械振動在軟連接處會有較明顯的衰減，對后續的管道及管件影響較小，可以初步排除因風機的機械振動導致管道的振動。

系統中的風機為羅茨風機，由于羅茨風機吸排氣存在周期性和間歇性，從而引起管道內的氣體在速度、壓力和密度等流動參數影響下的變化，西安交通大學管道振動科研組和劉虎等人[4，5]稱這種氣體流動參數隨時間和位置周期性變化的現象為氣流脈動。氣流脈動能夠引起管道的振動，管道長時間劇烈的振動，會引起管路附件的損壞，尤其是管道的銜接部位及閥門的活動部件。另外，當管道結構和管道內氣柱的固有頻率相接近時，甚至會發生共振，從而導致更嚴重的事故發生[6]。

目前，管路系統的振動情況及閥門損壞情況與氣流脈動引起的狀況十分吻合，可以初步判斷是因風機出口空氣的脈動氣流而導致1#與2#風機出口氣動蝶閥的閥板及執行機構發生強烈的振動，從而使閥板的螺絲脫落與執行機構螺桿松脫，而同時脈動氣流如同“氣錘”不斷撞擊備用風機管道氣動閥門的封堵鋁板，導致封堵鋁板破碎。

2.3 風機出口管道振動的解決方案及效果

針對風機管道的布置及振動情況，建議一方面增加風機管道系統的支撐點，對管道進行加固；另一方面，出口管處設置緩沖裝置，并在緩沖裝置中安裝紊流或氣流脈動衰減內件[7，8]。①方法一：提高管道的剛度，從而減小振動位移，與此同時還可以改變管路的固有頻率，避開共振頻率值，防止發生共振；②方法二：對氣流脈動采取適當的消能措施，從而減弱氣流脈動對管道的影響，以達到保證安全生產的目的。對改造后的風機出口管道、氣動閥門進行了檢測，具體數據見表2，與改造前的振動值相比，風機出口軟連接后管道、氣動蝶閥執行機構的振動幅度、振動速度及振動加速度都明顯減弱。

表2 改造后風機出口軟連接后管道、氣動蝶閥執行機構振動值

現場也對運行情況進行了長時間的跟蹤，氣動蝶閥的閥板及執行機構的螺桿未出現松脫或其他故障。

3 結語

綜上所述，對于靜設備的管路，介質流速是管道產生強噪音的主要原因，因此，建議蒸汽管道設計及運行流速應控制到40m/s以內，并且管道布置盡量順直，避免設置小角度的不規則彎曲。

對于容積式風機或壓縮機，需要保證管道有足夠的機械強度，有條件時，設計可以進行頻率分析計算，以便避開共振區，同時考慮風機氣流脈動的危害，可通過設置緩沖罐、氣流脈動衰減器等方法緩解氣流脈動引起的管道振動。