上官少鵬

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

精對(duì)苯二甲酸(PTA)作為重要的有機(jī)原料，廣泛應(yīng)用于化學(xué)纖維、輕工、電子、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。國內(nèi)市場(chǎng)中，75%以上的PTA用于生產(chǎn)聚酯纖維，20%的PTA用于生產(chǎn)聚酯瓶。近年來，因下游聚酯行業(yè)對(duì)原料PTA的需求日益增加，PTA裝置生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，最大單線生產(chǎn)能力已達(dá)2 200 kt/a[1-2]。但是，隨著裝置產(chǎn)能的增加，物料流量和管道管徑也隨之增大，在大流量、高揚(yáng)程的影響下，管道配置不當(dāng)?shù)纫滓鹞锪瞎艿喇a(chǎn)生振動(dòng)。物料管道振動(dòng)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(tǒng)越龐大，振動(dòng)問題越復(fù)雜，這要求在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于關(guān)鍵管道不僅要進(jìn)行靜力分析，同時(shí)還要進(jìn)行動(dòng)力分析，通過計(jì)算機(jī)軟件模擬管道在不同工況下的振動(dòng)狀態(tài)。動(dòng)力分析主要包含管道固有頻率分析、管道強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析、往復(fù)式壓縮機(jī)(泵)氣(液)柱頻率分析及往復(fù)式壓縮機(jī)(泵)壓力脈動(dòng)分析等。

PTA裝置試車階段產(chǎn)生的物料管道振動(dòng)，往往與預(yù)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(yù)先發(fā)現(xiàn)容易產(chǎn)生振動(dòng)的物料管道。

作者通過對(duì)多套PTA裝置試運(yùn)行階段的考察，對(duì)PTA裝置試車階段物料管道產(chǎn)生振動(dòng)的原因進(jìn)行分析，針對(duì)控制閥管道布置、結(jié)晶器頂部氣相管線、精制單元漿料輸送管系等與振動(dòng)相關(guān)的實(shí)際問題，運(yùn)用CAESAR II軟件對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)的影響因素及解決措施

在PTA裝置試車過程中，易發(fā)生振動(dòng)的物料管道通常與物料的溫度、相態(tài)和操作工況等密不可分，管道吹掃時(shí)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(chǎn)生相態(tài)變化、離心泵單機(jī)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(dòng)，甚至產(chǎn)生破壞。

1.1 管道系統(tǒng)管徑配置

在管道設(shè)計(jì)中，管道的管徑和阻力降通過計(jì)算確定[3],若管道的管徑設(shè)計(jì)未能有效核算或配置不合理，再加上管道中存在調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)裝置的口徑又相對(duì)較小，即會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)2～3級(jí)的縮徑，物料在流經(jīng)調(diào)節(jié)裝置時(shí)，壓力急劇變化，從而影響管道內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)，形成激振力，導(dǎo)致管道發(fā)生振動(dòng)。

若試車階段發(fā)現(xiàn)個(gè)別調(diào)節(jié)閥口徑明顯小于管道直徑，當(dāng)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)流速突然增加，靜壓力驟然下降，出現(xiàn)出口壓力低于該流體此時(shí)的飽和蒸汽壓，產(chǎn)生兩相流，管道產(chǎn)生振動(dòng)，可選用球閥、蝶閥等壓力恢復(fù)系數(shù)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(diào)節(jié)閥，減少對(duì)體壁的直接沖擊，減弱閃蒸的破壞[4]。

另外，有些管道系統(tǒng)在回流管線上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥組，在離心泵等設(shè)備全回流試車時(shí)，若調(diào)節(jié)閥組口徑與回流管線管徑不匹配，也會(huì)造成回流管道流速較高，且調(diào)節(jié)閥局部流速更高，使管道發(fā)生振動(dòng)。

再者，若管徑選擇偏小，管內(nèi)流體流速會(huì)較高，如有些液體流速超過6 m/s，就不易形成穩(wěn)定的流態(tài)，在縮徑或流向變化時(shí)，產(chǎn)生較大激振力，引起管道振動(dòng)。

遇到上述問題，需要不斷加強(qiáng)專業(yè)間協(xié)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(tǒng)的振動(dòng)問題。

1.2 管道布置

在PTA項(xiàng)目建設(shè)中，為節(jié)省項(xiàng)目投資和占地，設(shè)備布置較為緊湊，管道布置不合理、錯(cuò)綜復(fù)雜，缺少足夠的直管段，也會(huì)導(dǎo)致物料管道產(chǎn)生振動(dòng)。例如在調(diào)節(jié)閥后直連異徑管和彎頭，物料管道上連續(xù)出現(xiàn)數(shù)個(gè)彎頭等均造成流向頻繁變化，引起管道振動(dòng)。如圖1所示，因管道布置空間受限，調(diào)節(jié)閥后緊接異徑管和數(shù)個(gè)彎頭，試運(yùn)行時(shí)管道出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。經(jīng)過對(duì)調(diào)節(jié)閥前后的支吊架進(jìn)行加固和限位(分別在調(diào)節(jié)閥前后彎頭處及設(shè)備進(jìn)出口增加限位)，振動(dòng)明顯減弱。

圖1 調(diào)節(jié)閥前后管道布置Fig.1 Pipeline layout before and after control valve

設(shè)備布置宜按照工藝流程順序階梯布置，并應(yīng)滿足管道應(yīng)力[3]和工藝要求配置管道系統(tǒng)。對(duì)于高揚(yáng)程、大流量的管道提前規(guī)劃，避免物料流向頻繁變化，可防止管道產(chǎn)生振動(dòng)。

1.3 支吊架類型

易振動(dòng)管道系統(tǒng)應(yīng)采取有效的止振措施，如粉料輸送管道應(yīng)設(shè)防振支架[3]，若管道系統(tǒng)采用的支吊架類型不合適，也會(huì)導(dǎo)致物料管道產(chǎn)生振動(dòng)。在流體管道中，為控制壓力和流量，安裝有各種閥門，而設(shè)計(jì)時(shí)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(fā)生動(dòng)作時(shí)，包含這些泵和管道的系統(tǒng)即會(huì)產(chǎn)生劇烈的自激振動(dòng)。此類問題主要體現(xiàn)在對(duì)于管道參數(shù)的不了解，閃蒸氣管道和大流量管道在滿足管道應(yīng)力的情況下，要盡量保證管道的剛度，對(duì)于可預(yù)見的情況要增加管道支吊架數(shù)量，提高管道剛度，應(yīng)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(jié)晶器頂部氣相管道出現(xiàn)過振動(dòng)，分析其原因是管架設(shè)置不合理，管架設(shè)計(jì)比較單薄所致。如圖2所示，結(jié)晶器頂部氣相管道僅設(shè)置了2個(gè)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(dòng)。經(jīng)應(yīng)力計(jì)算校核，按照實(shí)際的節(jié)點(diǎn)位移方向，將滾珠盤改為滾輪，并對(duì)彈簧一次支架進(jìn)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(dǎo)向)，試運(yùn)行過程中管道振動(dòng)明顯消除。

圖2 結(jié)晶器頂部氣相管道支吊架組合設(shè)置Fig.2 Combination of supports and hangers of gas phase pipeline at the top of mould

1.4 管道與設(shè)備共振

在連接往復(fù)壓縮機(jī)的管道系統(tǒng)中，當(dāng)管道內(nèi)氣柱的固有頻率與壓縮機(jī)的周期性排氣的頻率一致時(shí)，管道內(nèi)的氣柱便出現(xiàn)共振，這不僅可引起管道系統(tǒng)的強(qiáng)烈振動(dòng)，還可造成壓縮機(jī)性能的降低，甚至?xí)?duì)管道產(chǎn)生破壞。尤其是對(duì)于裝有高壓氣體、有毒氣體、可燃性氣體的管道，管道內(nèi)流體的共振是非常危險(xiǎn)的，應(yīng)當(dāng)避免共振的產(chǎn)生[5]。

消除壓縮機(jī)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(dāng)位置加裝孔板，增加管段內(nèi)的流體壓力的均勻度，減少氣流脈動(dòng)；(2)吸入排出管道支架與設(shè)備基礎(chǔ)脫離，且支架高度盡可能低，管架應(yīng)設(shè)在彎頭、分支、標(biāo)高有變化以及集中荷載附近；(3)對(duì)于壓縮機(jī)出口管道，管系結(jié)構(gòu)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(shè)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(guī)范、不合理，同樣會(huì)導(dǎo)致物料管道產(chǎn)生振動(dòng)。如在項(xiàng)目建設(shè)末期，為期趕工，試車和安裝一并進(jìn)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(shè)計(jì)流量?jī)H為機(jī)泵額定流量的1/3，提前試車即會(huì)導(dǎo)致回流管線流速過快，引起管道振動(dòng)。

另外，試車過程中流量控制不夠嚴(yán)格，機(jī)泵易產(chǎn)生喘振。對(duì)于泵系統(tǒng)，喘振會(huì)使容器內(nèi)水面劇烈波動(dòng)；對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)系統(tǒng)，喘振會(huì)產(chǎn)生巨大噪音。所以這些流體設(shè)備運(yùn)行時(shí)，不能使其進(jìn)入喘振區(qū)，即流量限于喘振邊界的范圍內(nèi)工作。即使產(chǎn)生喘振，也應(yīng)準(zhǔn)確地分析出喘振的原因[5]，采取相應(yīng)的措施予以消除。

針對(duì)試車流程不規(guī)范、不合理現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)管理，制定施工計(jì)劃和試車方案，嚴(yán)格按照計(jì)劃(預(yù)試車和冷、熱試車各階段的里程碑事件)進(jìn)行實(shí)施。化學(xué)工業(yè)建設(shè)項(xiàng)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(dòng)模擬分析

物體按照某一階固有頻率振動(dòng)時(shí)，物體上各個(gè)點(diǎn)偏離平衡位置的位移滿足一定的比例關(guān)系，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，這些模態(tài)參數(shù)可由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得。

CAESAR II作為應(yīng)力分析軟件，比較適合對(duì)復(fù)雜管道進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，根據(jù)其動(dòng)態(tài)分析模塊中的模態(tài)分析可計(jì)算復(fù)雜管道的固有頻率。任何系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)或動(dòng)態(tài)響應(yīng)都可以使用模態(tài)分析進(jìn)行確定。在實(shí)際情況下，模態(tài)分析時(shí)將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成多階振動(dòng)模態(tài)，每階模態(tài)都具有各自獨(dú)特的振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際振型，即可找出其對(duì)應(yīng)的固有頻率階次。通?？刹捎昧汩g隙導(dǎo)向和限位架或防震管卡來控制系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，但增加導(dǎo)向和限位架后，會(huì)增加系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而導(dǎo)致二次應(yīng)力的增加，因此需要再次進(jìn)行靜態(tài)分析，以保證分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性。

2.1 管道系統(tǒng)固有頻率的控制

對(duì)于振動(dòng)管道，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，是目前較為有效的手段。通常，對(duì)于固有頻率的控制原則是裝置內(nèi)管道和外管道的固有頻率應(yīng)分別不小于4.0 Hz和2.55 Hz[7]。但通過對(duì)產(chǎn)生振動(dòng)的管道系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期的應(yīng)力計(jì)算與分析主要放在一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和管口應(yīng)力校核，而忽視了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析，這易導(dǎo)致在裝置試運(yùn)轉(zhuǎn)階段管道振動(dòng)集中發(fā)生。

例如，精制單元漿料輸送管道系統(tǒng)(見圖3)在熱試車階段劇烈振動(dòng)，通過對(duì)應(yīng)力模型進(jìn)行模態(tài)分析，系統(tǒng)低階固有頻率僅為0.116 Hz，經(jīng)過對(duì)模型中支吊架進(jìn)行有效的限位和導(dǎo)向，其系統(tǒng)低階固有頻率提高到4.731 Hz。

圖3 漿料輸送管道系統(tǒng)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(tǒng)泵出口管道振動(dòng)明顯，觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)型態(tài)與15介模態(tài)比較接近。振動(dòng)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(dòng)。結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整支架位置和增加導(dǎo)向，再次熱運(yùn)后振動(dòng)消除。

易產(chǎn)生振動(dòng)的管道往往設(shè)置有彈簧，其支撐的型鋼剛度應(yīng)盡量大一些，以保證系統(tǒng)所受激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離彈簧的固有頻率。當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率在4～5 Hz以下時(shí)，宜用金屬彈簧。但是，當(dāng)固有頻率極低時(shí)，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(yùn)行工況的變化，可引起安全閥的起跳。安全閥動(dòng)作后泄放的物料以多相流為主，壓力和相態(tài)的變化可造成管道系統(tǒng)的振動(dòng)。但系統(tǒng)分析過程中易忽視安全閥排放反作用力對(duì)管道系統(tǒng)的影響，導(dǎo)致支吊架強(qiáng)度不夠。

借助CAESAR II應(yīng)力分析軟件，對(duì)結(jié)晶器頂部氣相管線上的安全閥進(jìn)行分析，安全閥出口處瞬時(shí)泄放的反作用力達(dá)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(jì)算所得反作用力的兩倍數(shù)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(shù)值作用于安全閥出口的影響。對(duì)于兩相流系統(tǒng)，排放中易形成活塞流而在彎頭處產(chǎn)生激振，要求管道支架更堅(jiān)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(shè)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(shí)際操作過程中，為避免管道振動(dòng)，排放管道應(yīng)有合適的支撐及限位，出口管道第一個(gè)支架應(yīng)優(yōu)先考慮生根于安全閥所保護(hù)的設(shè)備或管道的頂部，并保證有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)，動(dòng)態(tài)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(wěn)定性。

3 結(jié)論

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

b. 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)管道的實(shí)際型態(tài)，運(yùn)用CAESAR II軟件對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，增加適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向或者限位，提高其低階固有頻率，可防止管道振動(dòng)。但過多的導(dǎo)向和限位會(huì)導(dǎo)致二次應(yīng)力的增加，需要對(duì)應(yīng)力模型反復(fù)校核與計(jì)算。

c. 借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)安全閥管道系統(tǒng)的反作用力進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，設(shè)置合適的支撐和限位，提高系統(tǒng)低階固有頻率，可有效保證管道系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。