柱塞泵输送固液两相流管道的减振对策.pdf

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1、26 CHE CAL E NGI NEERI NG DES I GN 柱塞泵输送 固液两相流管道的减振对策 梁亚栋 肖敦峰贾 自强中国五环工程有限公司武汉4 3 0 2 2 3 摘要 分析引起柱塞泵管路振动原因，结合柱塞泵运行原理，通过增大缓冲罐的体积和柱塞泵气缸数 量，加装防振管托，解决了柱塞泵运行连接管系振动。 关 键词 柱塞泵缓冲罐振动多缸对策 柱塞泵借助缸体中的容积周期性变化工作， 其出口液体流量是脉动 的，引起泵管路 液流 的压 力脉动。当排出压力的变化频率与排出管路的固 有振动频率相等或成倍数 时，会引起 管道 系统 的 共振 ；同时造成泵 的电动机负荷 不均 ，出现容积 效率降低

2、 、功率 消耗增加、气 阀工 况变化 ，直接 缩短泵 的使用寿命。与此 同时管道 系统 的共 振会 导致管道 和管架 的疲 劳破 坏 ，诱 发建 筑 物振 动 、 噪音及管道 与附件松 动，引发重 大安全事 故。因 此 ，柱塞泵及管道振动一直被相关人员所关注。 本文通过对某 1 ，4一丁二醇 装置低压加氢给 料泵管路振动原因分析，找出泵体和泵出口管道 振动的主要原 因，提出整改意见。 1 管路振动原因分析 1 ，4一 丁二醇装置在试车过程 中，低压加氢给 料泵 出口管道振动剧烈 ，整个 管系形成脉 冲式振 动 ，泵流量加大 时，管架和管托振 动加剧 ，噪声 增大，影响正常的运行 。 该柱塞泵

3、为本工艺装置重要 工序低压加 氢反 应器给料泵，在整个装置 的生 产过程 中起 到承上 启下 的作 用，因此解决该管路 的振动 问题显 得尤 为重要。泵进 口管为 D N I O 0 ，出 口管为 D N 5 0，泵 的这一配 管思路 ，会造成缩颈 而引起管道流体 波 动较大。但根据工 艺要求 ，该 管道 中的流体 中含 有 固体催化剂颗 粒 ( 主要成分 ：丁炔二醇 +雷 内 镍 + 水 ) ，若将管道 口径改大 ，则管道 中介质的流 速会降低 ，固体颗粒会沉积，影响柱塞泵的正常 使用。 通过查找 相关 资料和总结 ，影响柱塞 泵及连 接管路振动的原因 ： 由于柱塞 泵柱塞缸数设 置 不合适

4、，泵进出口管内流体脉冲偏大； 脉动控 制设备规格设置不合理 ； 出口管路三通 、弯头 、 阀门多 ，管架设计 不合理 ； 泵 的布置与 出 口容 器太远； 泵与管架产生共振。 1 1 柱塞泵缸数的影响 柱塞泵靠柱 塞 的往复运 动，使缸体 中的容 积 产生周期 变化 ，使 得 进排 液 阀交替 打开 与 闭合 ， 从而完成吸液和排液 。因此柱塞泵 流体 的流动是 周期性的 、脉动的 ，没有离心泵平稳。 柱塞泵缸数 越多 ，各个 缸流量 曲线 的波 峰 和 波谷相互补充 的越充 分 ，流量越 均匀。理论 上如 果缸数无 限多 ，则 出 口流 体可看 做 是稳定 流 体。 受结构 复杂程度、制造

5、、维护难 度 、曲轴 长度及 刚性 、机组振 动等各种 因素影 响，缸数一般 不超 过 8个 ，多为 6缸 以内。 由于柱塞泵 的结构特点，压力脉动始终存在 ， 因此柱塞泵管道在 允许 范围 内存在某种程度 的振 动 ，但关键 是要避免该 系统 发生剧烈振动导 致管 道疲劳破坏。 根据泵厂家 提供 的数据 ，一期 工程单缸 单作 用的 P 2 0 3泵流量不均匀系数分别为 ：最大不均匀 系数 为 2 1 4 一2 2 0 ；最 小 不 均 匀 系 数 约 为 1 0 0 。通过以上数 据可 以得 出，不均匀 度偏 大 ， 是造成泵出口管道振动的主要原因之一 。 通常柱塞泵的数量为奇数时流量脉动

6、比偶数 时小 ，而有时选择 奇数 困难 。国内某 知名泵 厂最 大能力 的柱 塞泵 为行程 3 0 ra m，柱塞 直径 8 5 l I ra， 限于转速不易太 高，三泵头无法 满足项 目工 艺流 粱亚栋：工程师，注册化工工程师。2 0 0 5年毕业于郑州大学化工学院化学工程与工艺专业。从 石油化工管道设计工作。联系电 话 ：( 0 2 7 )8 1 9 2 6 2 5 9 ，E - m a i l ：l i a n g y a d o n g C W C e C c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m梁亚栋等柱塞泵输送固液两相流管道的减振对策 2 7

7、量要求 ；进 口的泵可 以做到三泵头 ，但价格较高 。 三泵头 以上 ，虽然偶数 泵头脉动 比奇数 泵头大 一 些 ，但绝对值在 可接受范 围 内，再 加上 出 口缓 冲 罐 ，能满 足工 艺对 波 动 的要求。基 于上述 分 析 ， 项 目二期工程设计 中，通过 工艺计算 和成 本核算 对比，将 1：2 0 3 选用四冲程泵，由于其 自身的脉冲 系数很小 ，经过缓 冲罐后 ，二期工程 P 2 0 3泵 的残 余不均匀系数 ( 即残余脉冲)小于2 。 1 2 脉动控制设备的影响 脉动控制设备通过降低柱塞泵进出口管道系 统 的波动 ，使管 系输 出接 近平稳。常见 的脉 动控 制设备 ：缓 冲罐

8、、阻尼器 、蓄能器 、减 振器 、防 止器 、液 压 隔 离 器、抑 止 器 、减 弱 器 、稳 定 器 等 J 。缓冲罐分 为常压式和预压式两种。 常压 缓 冲罐是在密 闭容器 中充 常压空气 ； 预压缓 冲 罐是在密闭容器中加一 弹性原件 ( 如橡胶囊 ) ，其 内充有惰性 气体 。预压缓 冲罐具有 结构简单 、安 装、拆卸方便，清洗方便、结构较小，不受空问 位置的影响 ，成本低 ，收益高等特点 ，因此被 广 泛采用。常见的预压缓冲罐有直接接触式缓冲罐、 隔膜式预压缓 冲罐 等。本项 目中使 用 的缓 冲罐为 隔膜式预压缓冲罐，由三部分组成：充气胶囊、 器体和连 接 结构 ，其 中充 气

9、胶囊 是 主要 的工 作 部分。 柱塞泵进 出 口增设 缓 冲罐是利用 气体可压 缩 和膨胀的特点 ，交替 的储存或释放 比均匀流量 多 或少的一部分液体 ，从 而达 到减少 管路 中流 量和 压力脉动的 目的。吸人缓冲罐 的作用 是减少 吸入 管路流量不 均匀度 ，减少惯性损 失 ，保持 吸人 压 力稳定。隔膜 式缓 冲罐 用于进 口时 ，其 预充气 压 力应考虑到输送介质 的汽化压力。一般 由制造 厂 决定是否需 要安装 吸人缓 冲罐。排 出缓 冲罐 的作 用是减小排出管路 流量不均匀度 ，减少流量脉动 ， 排出缓冲罐的容积可按下式计算： ： ( 1 )1 0 8口P P d 、 式中 ，

10、D为柱塞或活 塞直径 ，m；L为柱塞或活塞 行程长度 ，m；P d 为泵 出 口压力 ，MP a ；P 为泵 出 口管路 的总 阻力损失 ( 不包括加 速度头 ) ，MP a ； P 为 缓 冲罐 充 气 压 力 ，一 般 为 泵 出 口压 力 的 6 0 ，M P a ； 8 Q 为工艺要求的允许残余流量不均匀 系数 ( 即残余 脉 冲 ) ； p为脉 动 系数 ，单缸 泵 取 1 1 ，双 缸泵 取 0 4 2 ，三 缸泵 取 0 0 5 。 对于一期工程 P 2 0 3泵 ( 单缸单作用 ) ：泵 人 口总管上设置 了一台 1 m 的缓 冲罐 ，所以进 口不 均 匀应能满足要 求。泵 出

11、 口设 置缓 冲罐容积 为 3 L 。 进出 口缓 冲罐 的容积是根据厂 家提供 的数据和计 算并结合工程实际情况来确定的。 1 3 泵出口管线管件阀门的影响 本项 目泵 出 口管 线设 置 的管件 和 阀 门偏 多。 液体在管 内流 动时 ，由于液体 内部 、液体 和管壁 之间都有摩擦存在 ，特别是液体经过三通 、弯头 、 阀门及突然 变化 的截面处 时，由于流速 的大小或 方向发生 了急剧 变化 ，或 因流速变化造成 的压降 引起 了介质 的汽化而产生 “ 汽蚀现象” ，都会产生 噪声并引起振动。 1 4 泵与 出口容器布置的影晌 泵与泵 出 口容器之 间的相对 位置，也是 引起 管系振动

12、 的原 因之一 。若泵 与所 连接容器 的距 离 偏远 ，与之连接 的管线就偏 长 ，不可 避免增加 了 相应的管件 ，增加 了管 内流体 的变化 ，从而有 可 能引起整个管系的振动。 建议泵靠 近出 口容器 布置 ，减少泵 出 口管 线 的管件数量。如果泵进 口容器距离泵较远，在泵 进 口处再设置一个 中间缓 冲罐 ( 缓冲罐容积根 据 泵流量确定 ，一般取 5 7 mi n的缓冲时间即可 ) 。 1 5 泵与管系产生共振 造成柱塞泵管道系统振动 的主要原因有两类 ： 回转机械旋转部分不平衡产生的振动； 回转 机械旋转部 分不平 衡产生 的振动传 递给与之相 连 接 的管线 ，当回转机 械

13、的振 动频率与连接管 系的 固有频率相近时引起 的管道共振。 回转机械旋 转部分 的不平衡是机 械振动 的主 要原 因，往复运动 的机械 由活塞惯性力 和转矩 的 不平衡产生振动，这种振动的频率虽然不会与机 械振动的频率相同，有时却是后一频率的数倍 。 管道机械共振 由管道 、管件和支架组 成 的管 系是 一个 弹性 系统 。根据 管道 布 置 、支架形 式 、 位置及边界条件 的不 同，有其 固有振 动频率。当 管内流体压力产 生脉动 时 ，脉 动流体在 弯头、异 径管 、阀门等管件 处易产 生激振 力。管路 管件越 多，管道振动就越强烈 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u

14、 .c o m28 CHEMI CAL E NGI NEERI NG DES I GN 本管系的固有频率计算 ，可用 C A E S A R I I 应 力计算软件进行 ，得到应力计算报告。 本项 目泵本体的振动频率计算方法如下 ： ， ：1n n= t 式中，f 为泵频率 ；n为往复一次的周期 ；t 为单位 时间 ，mi n ；a为单位时间往复的次数。 t 60 丽 口 l y L ， ， = i 1= - 3 1 7 通过计算 可知泵本体 的振动频率很低 ，连接 泵体的管系振动频率 比较高 ，要 避开管系 的振 动 频率为泵本体振动频率的整数倍 ，避免产生共振。 2 设计采用的控制振动 的

15、方法 对于本 次改造 ，结 合对原有管道共 振特点 的 分析 ，提出整改方 案 ：管道 的结构振 动与管道 支 撑有很大关 系，支 架的位置及 型式在设 计时经过 C A E S A R I I 应力软件分析来确定。要求施工单位严 格按照设计来施工 。低压加 氢给料泵 ( P 2 0 3) 已 经全部就位，考虑到现场操作的工况、配管空间 等 因素 ，在泵 出 口处 ，在原 有 的缓 冲罐 的基础 上 再增加一台更大容积 的缓冲罐，目前运行 良好 。 3 结语 柱塞泵产生 的动态流动 和管道系统 中的音 响 共振的相互作用可 以造成泵和管道 中的压力 脉动 、 汽蚀 、过度振 动和损 坏。管道

16、系统 的脉 动特性是 根据泵系统布置的复杂性、泵台数、运行速度 、液 体性质和其 它 因素 而决定 的 。因此 ，应该在设 计阶段引起 足够重视 。对于新 建项 目，为 了避 免 由于设计不 当引起柱塞泵 和相应管路系统的振动， 应从以下几个方面考虑 ： ( 1 )在设计初期 ，根据工艺 专业所 提的工艺 条件 ，对柱塞泵 的脉冲影 响进行核算 ，确 定选用 单缸泵还是 多缸 泵，通常柱塞 为奇数时 流量脉动 比偶数时小。柱 塞 泵 的选 择 既要 满 足工 艺要 求 ， 又要经济合理 ，振动最小。 ( 2 )泵的进 出 口设置适 当容量的缓 冲罐也是 解决泵出 口管道 振动的手段之 一。建议

17、关 注进 出 口脉动控 制设 备尺寸规格 的选 择 ，请厂 家准确计 算并提供计算依 据 ，并 留有足够 的余 量 ，确保尽 量消除泵及管线的震动。 ( 3 )在满足工艺条件 的情 况下 ，尽 量减少管 件 ，使用直通式 阀门，减少 由于管件太 多，管 内 流体剧烈变化引起 的噪音和振动 。 ( 4 )对于压力 比较高 ，流量较大 的柱塞泵进 出口管线，需要进行应 力计算 ，确保管 线 的支 架 设置合理 ，避免柱塞泵 的流量不均匀 造成 的脉 动 与进 出管路 的 自振频 率 相 等 或 成 整 数倍 ，引起 共振 。 参考文献 1 全 国化工设备设计技术 中心站机 泵技术委 员会编 著工业

18、 泵选用手册 ( 第二版 ) M 化学工业 出版社 ，2 0 1 1 ：9 4 9 5、 1 0 6 2 叶少宁等缓 冲罐在往 复泵 长距离输 送管道减 振 中的应用 J 新疆石 油天然气 ，2 0 0 9，6：7 78 1 3 张红娟往复泵 管道 振动 分 析及 改 造措 施 J 化工 设 计 ，2 0 0 0，1 0 ( 4 )：1 21 5 4 A P I 6 7 42 0 1 0 ，固定排 量泵一 往复 泵 S ：4 O一 4 3 ，6 6 6 9 ( 修改 回稿 2 0 1 4 0 91 8 ) ( 上接 第 2 1页 ) ( 6 )衬里管道的坡度 ，要在 I S O图中标注出 实际现场情况，在 管道设计 的时候考虑周全仔细 ， 起始点的标高 ，垂 直管段 的长度做出相应 的加减 。 项 目设计 的成品文件如 I S O单线 图、管道平面布置 制造厂家要严格按照 I S O图制造 。 图、r e p o r t 综合材料表等准确性就更高。缩短 了工 结 五 期 ，避免 了材料浪 费，提高 了设 计质量 ，使安装 J 耋 嗣 =i 施工作能够顺利进行 。 衬里管道比普通管道的设计繁琐，在设计时 考虑的问题更多。P D S三维模型能最大程度地接近 ( 修改回 稿2 0 1 4 0 3 0 3 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m