往復泵振動與脈動分析

周 偉

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

往復泵是通過活塞的往復運動直接以壓力能形式向液體提供能量的輸送機械。它的主要優點是吸入性能好，效率較高，其中蒸汽往復泵可達80%～95%；可輸送任何介質，幾乎不受介質的物理或化學性質的限制；泵的性能不隨壓力和輸送介質黏度的變動而變動。因此使得往復泵在石油化工生產企業得到了廣泛的應用[1-4]。

由于吸入和排出的間斷性以及活塞的變速運動，使往復泵管路中的液流壓力和流量呈周期性變化，這種現象稱為液流的壓力脈動。尤其當排出壓力的變化頻率與排出管路的固有振動頻率相等或成倍數時，會引起管道系統的共振[5-6]。同時使泵的原動機負荷不均，出現容積效率降低，功率消耗增加，氣閥工況變壞，直接縮短往復泵的使用壽命。管系的共振還會導致管道和管架的疲勞破壞，誘發建筑物振動與噪音以及管道與附件設備松動。因此，往復泵的管道設計是至關重要的。

1 往復泵的特點

往復泵屬于容積泵，其借助活塞或柱塞在液缸工作腔內的往復運動（或通過隔膜、波紋管等撓性元件在工作腔內周期性地產生彈性變形）實現工作腔容積產生周期性的變化。在結構上，工作腔通過密封裝置與外界隔開。工作時，原動機的機械能經往復泵直接轉化為被輸送液體的壓力能。其主要特點有：流量是脈動的；平均流量是恒定的，理論上其大小只取決于泵的結構參數，而與出口壓力無關；泵的壓力取決于管路特性，與流量無關，對輸送介質有較強的適應性；有良好的自吸能力，啟動前無須灌泵，泵的排出壓力最高可達1 500MPa；在出口壓力很高而流量又很小時，往復泵是唯一的選擇，其不僅能滿足性能需要，而且效率也較高。

本文遵循標準API STANDARD 674-THIRD EDITION，DECEMBER 2010 中近似設計方法2對某1,4丁二醇裝置中BYD高壓泵0302-P-201A/B/C/D出口管路系統液體脈動及管道振動進行模擬、分析計算、結果評估、解決方案提供、最終計算結果滿足標準規范要求。其中，液體脈動分析依據平面波動理論，采用聲學模擬進行分析計算；管道機械振動分析采用有限元方法進行分析計算。

2 系統描述

本文脈動和振動分析管路范圍為BYD高壓泵0302-P-201ABCD 出口管路系統，指泵體至泵出口，泵出口至反應器管道及其附屬的安全閥進出管道以及安全閥旁路管道（均不含泄放總管）。聲學分析的工藝工況是正常運行介質狀態，操作工況是三開一備狀態，泵的運轉狀態是正常轉速201r/min±10r/min。其中BYD高壓泵0302-P-201ABCD的結構參數如表1所示，流體物性參數如表2所示。

表1 高壓泵的結構參數

表2 流體物性參數

3 脈動分析

BYD 高壓泵0302-201ABCD 的出口管路工藝流程為：泵A/B/C分別獨立輸送介質至反應器0302-R-201A/B/C，泵D 為三臺泵備用，其出口管路與三臺泵均連同。根據高壓泵出口管路的工藝流程，聲學模擬分成6 個工況進行脈動分析，工況如下：A 開 D 備；B 開 D 備；C 開 D 備；D 開 A 備；D 開 B 備；D 開 C 備。

3.1 結果評估

圖1為泵P-201A 開P-201D 備、泵P-201B 開P-201D 備用的最大脈動點處頻譜圖和最大脈動點處波形圖，全閥處合成波峰允許值為1 574kPa，允許不均勻度為4.9%，安全閥保護限制為200kPa，設計滿足要求。

圖1 最大脈動點處頻譜圖

圖2為泵P-201C 開P-201D 備用的最大脈動點處頻譜圖和最大脈動點處波形圖，全閥處合成波峰允許值為1 574kPa，允許不均勻度為4.9%，安全閥保護限制為180kPa，設計滿足要求。

圖2 最大脈動點處頻譜圖

3.2 管道支架的設置

往復泵的管道支架應單獨設置，不宜利用泵房及框架的鋼柱，且管道應采用卡箍型防振支架，管道上不得支撐其他管道。管支架的基礎應與泵房及框架的基礎脫開，避免由于管道的振動引起泵房及框架的共振。

3.3 脈動結論

（1）四臺泵在激發頻率下計算脈動值略超出標準允許脈動水平值，但是脈動值不高，可以接受；

（2）四臺泵出口安全閥處合成波正波峰與設定值間的裕量滿足標準要求，合格。

4 管道靜態和振動分析

4.1 管道分析模型圖

根據提供的高壓泵外形圖、反應器工程圖、管道單線圖，建立管路系統的完整振動分析模型。模型如圖3所示。

圖3 出口管路系統振動分析模型圖

4.2 管路振動分析結果

依照管道單線圖上支架計算后，管路中存在低頻和共振現象，對管路上支架進行優化設計，管路系統的固有頻率結果如表3所示：其中模態1、2 發生在管道0302-2028A/B/C-P 上，非高壓泵出口管道；模態7 發生在泵D出口三個分支管道上，鑒于此處設置支架沒有可生根結構，可根據實際運行情況決定是否設置支架。觀察上述結果，出口管路系統的固有頻率中已沒有小于4Hz 的低頻振動，和8～12Hz 的主激發頻率固有頻率，綜合評估管道振動控制合格。

表3 管路系統的固有頻率報告

4.3 管路應力分析結果

根據出口管路系統單線圖，和控制振動后的支架設計狀況，計算管道系統內的應力情況如表4所示：

表4 管道系統內的應力情況

根據上述結果，出口管路系統內的應力滿足規范要求。

4 結束語

往復泵在運行過程中產生的振動會造成管道疲勞失效、設備損壞等問題，嚴重影響安全生產。通過往復泵的脈動和振動分析能夠在設計階段將產生振動的原因盡量消除，保障系統運行的平穩，對生產有著重要的意義。