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(北京化工大學(xué) 化工安全教育部工程研究中心， 北京 100029)

在現(xiàn)代煉油工業(yè)中，隨著對輕質(zhì)燃料油需求量的提高，加氫裂化技術(shù)作為裂解重油生產(chǎn)輕型石油制品的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展成為重要的煉油工藝之一[1]。分餾塔是加氫裂化工藝中重要的組成設(shè)備[2]。分餾時，根據(jù)物料的沸點(diǎn)差異將加氫裂化反應(yīng)部分生成油分餾為干氣、液化石油氣、輕石腦油、重石腦油、柴油及煤油等[3]。由于分餾塔進(jìn)料管道內(nèi)部壓力和流速發(fā)生周期性變化，會導(dǎo)致管道振動，使與管道相連的法蘭、閥門磨損和松動，輕則引起介質(zhì)泄漏，重則造成嚴(yán)重的安全隱患[4]。在石化企業(yè)，常采用增加剛性支撐來提高管系固有頻率以及設(shè)置緩沖罐、孔板等措施控制管道振動[5-6]。

阻尼減振技術(shù)的原理是吸收和耗散管道的振動能量，減小管道各個方向的振動。文中通過現(xiàn)場測量山東某石化企業(yè)二套加氫分餾塔進(jìn)料管道的振動情況和管道參數(shù)，運(yùn)用ANSYS Workbench有限元軟件計算分析進(jìn)料管道振動原因，進(jìn)一步進(jìn)行阻尼減振模擬仿真，得到了阻尼器安裝最優(yōu)方案。在不停機(jī)的基礎(chǔ)上，搭建新的框架，實施阻尼減振改造后，進(jìn)料管道振動得到有效控制，保證了整套裝置的安全運(yùn)行。

1 加氫分餾塔進(jìn)料管道振動情況

文中研究的管道為從熱交換器到二套加氫分餾塔的進(jìn)料管道(圖1)，管道內(nèi)介質(zhì)為加氫裂化產(chǎn)生的反應(yīng)油。

圖1 加氫分餾塔進(jìn)料管道現(xiàn)場情況

分餾塔中的液相質(zhì)量流量約62 t/h、氣相質(zhì)量流量約80 t/h，進(jìn)料管道內(nèi)介質(zhì)溫度146 ℃，塔頂壓力0.1 MPa。進(jìn)料管道公稱直徑DN250 mm。管道材質(zhì)為Q235，其密度7 850 kg/m3、彈性模量206 GPa、泊松比0.3。

整條進(jìn)料管道較長，但管道約束太少，僅有1個剛性支撐。加氫裂化反應(yīng)物在彎頭處連續(xù)沖擊管壁，造成靠近分餾塔側(cè)的進(jìn)料橫管段存在明顯晃動?，F(xiàn)場測量管道振幅超過10 mm，遠(yuǎn)高于安全標(biāo)準(zhǔn)。由于進(jìn)料管道與分餾塔直接相連，振動造成進(jìn)料管道閥門損壞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

2 加氫分餾塔進(jìn)料管道振動分析

2.1 振動原因

來自汽提塔的裂化反應(yīng)物通過進(jìn)料管道進(jìn)入分餾塔，進(jìn)料管道內(nèi)介質(zhì)存在氣液兩相，氣液兩相流在管道內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動，脈動流體在彎頭、閥門處產(chǎn)生激振力，沖擊管壁，引起管道振動[7-9]，產(chǎn)生復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象[10-11]。

原料油進(jìn)入生成油內(nèi)乳化，導(dǎo)致水分無法脫除，水分隨著介質(zhì)進(jìn)入分餾塔，容易造成管道壓力和溫度波動，致使管道振動加劇。

進(jìn)料管道與分餾塔之間采用法蘭連接，存在多段懸臂管道，管道整體缺少支撐，約束剛度小。此外，原有的立柱過于單薄，無法在各個方向上減小管道振動。

2.2 模態(tài)分析

根據(jù)加氫分餾塔進(jìn)料管道的走向和管道的參數(shù)，利用ANSYS有限元軟件建立振動進(jìn)料管道模型，見圖2。

圖2 分餾塔進(jìn)料管道有限元模型

利用Workbench有限元軟件對進(jìn)料管道進(jìn)行模態(tài)分析，對模型定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、添加實際彈簧支吊架等約束后，計算得到分餾塔進(jìn)料管道1階～5階固有頻率分別為3.59 Hz、8.65 Hz、11.00 Hz、15.75 Hz及15.83 Hz。在化工設(shè)備中，當(dāng)某一階固有頻率在激振力頻率的共振區(qū)內(nèi)時，就會發(fā)生明顯的共振現(xiàn)象。共振區(qū)頻率一般為0.8f～1.2f，f為激振力頻率。振動測量結(jié)果顯示，該加氫分餾塔進(jìn)料管道振動的主要頻率為7.51 Hz，其激振力頻率的共振區(qū)為6～9 Hz。而加氫分餾塔進(jìn)料管道第2階固有頻率為8.65 Hz，處于激振力頻率共振區(qū)內(nèi)，流體脈動激起了進(jìn)料管道的基頻振動，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的共振。

在輸送流體管道中，流體流動狀態(tài)的不斷改變會產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動，導(dǎo)致管道振動，存在管道和內(nèi)部流體的流固耦合?；赪orkbench有限元軟件分析分餾塔進(jìn)料管道的流固耦合振動狀態(tài)[12]。采用單向流固耦合法建立流體和管壁的三維模型，在CFX軟件中進(jìn)行流場分析，并將CFX的計算結(jié)果作為載荷導(dǎo)入Workbench進(jìn)行流固耦合分析[13-16]。

流固耦合分析得到的進(jìn)料管道振動速度流線圖見圖3。從圖3可知A、B、C處振動速度較大，正是振動最為劇烈的位置。

圖3 流固耦合的分餾塔進(jìn)料管道振動速度流線圖

3 管道阻尼減振技術(shù)

3.1 阻尼減振技術(shù)分析

阻尼減振技術(shù)的核心部件是蜂窩型阻尼器。蜂窩型阻尼器由活塞、缸套、高分子阻尼顆粒、密封環(huán)及相關(guān)配件構(gòu)成。管道與蜂窩型阻尼器通過管夾相連，當(dāng)管道振動時，振動能量傳遞到蜂窩型阻尼器，帶動蜂窩型阻尼器內(nèi)部活塞擠壓高分子阻尼顆粒。高分子阻尼顆粒和阻尼器內(nèi)壁相互運(yùn)動，產(chǎn)生摩擦和剪切作用，并以熱能的形式將能量耗散，最終減小管道振動[17]。從能量角度分析，在振動管道系統(tǒng)增加阻尼后，將振動產(chǎn)生的機(jī)械能以熱能等其他能量形式耗散掉，系統(tǒng)動力響應(yīng)將減小，最終達(dá)到抑制管道振動的目的。

在管道系統(tǒng)上安裝蜂窩型管道阻尼器后，將管道主體簡化為無阻尼的質(zhì)量塊單元、阻尼器簡化為阻尼單元、支撐等約束簡化為彈簧單元，受外界激振力作用的振動管道簡化模型見圖4。

圖4 外界激振力下振動管道簡化模型

圖4所示結(jié)構(gòu)的振動微分方程[18]為：

(1)

式中，m為管道系統(tǒng)的質(zhì)量，kg；t為時間，s;C為阻尼系數(shù)和，N·s/m；k為剛度系數(shù)，N/s；F為外部激振力，N；ω為激振頻率，Hz。

求解式(1)得：

x=Bsin(ωt-φ)=(F/k)βsin(ωt-φ)

(2)

(3)

ζ=C′/(4πmωn)

(4)

η=ω/ωn

(5)

式(2)～式(5)中，B為振幅，m；φ為相位，(°)；β為放大系數(shù)，ζ為阻尼比，η為調(diào)諧比；C′為阻尼系數(shù)，N·s/m；ωn為管道系統(tǒng)的固有頻率，Hz。

放大系數(shù)β、阻尼比ζ和調(diào)諧比η的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 放大系數(shù)、阻尼比和調(diào)諧比關(guān)系曲線

由圖5可以看出，阻尼比越大，放大系數(shù)越小，系統(tǒng)的振動幅值也越小。常用鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比ζ=0.02，而鋼結(jié)構(gòu)管道系統(tǒng)本身對振動的衰減作用較小，放大系數(shù)很大，所以發(fā)生共振時的振動幅值很大。通過在管道系統(tǒng)設(shè)置蜂窩型阻尼器，增大管道系統(tǒng)的阻尼，即增大系統(tǒng)的阻尼比，可以降低放大系數(shù)，減小振動響應(yīng)，將管道的振動控制在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

3.2 阻尼減振模擬仿真

根據(jù)分餾塔進(jìn)料管道實際參數(shù)，采用Workbench建立管道模型并劃分網(wǎng)格，結(jié)合現(xiàn)場情況施加約束和激振力，對阻尼減振進(jìn)行模擬仿真計算。計算中采用該項目中所用蜂窩型阻尼器的真實參數(shù)，其阻尼系數(shù)為137 kN·s/m，阻尼指數(shù)為0.3，剛度取值為13 700 kN/m。

分餾塔進(jìn)料管道無阻尼模型位移圖見圖6。圖6結(jié)果與實際振動情況相符，靠近分餾塔的懸臂橫管段振動最大，存在肉眼可見的晃動。在仿真模擬中，靠近分餾塔處的進(jìn)料管道由于缺少支撐而產(chǎn)生劇烈振動。

圖6 分餾塔進(jìn)料管道無阻尼模型位移圖

在分餾塔進(jìn)料管道的A、B、C處增設(shè)阻尼器，設(shè)置好阻尼器各參數(shù)后，分別在靠近分餾塔的懸臂管道的水平和豎直方向施加阻尼，得到的進(jìn)料管道模型位移圖見圖7。

圖7 增設(shè)阻尼器后進(jìn)料管道模型位移圖

從圖7可以看到，管道增設(shè)蜂窩型阻尼器處及其附近的振幅均大幅減小。增設(shè)蜂窩型阻尼器后，管道最大振幅降低至1 mm左右，降幅達(dá)到96%，并且在水平和豎直方向均有較好的減振效果。這表明在A、B、C這3處設(shè)置蜂窩型阻尼器后管道的減振效果最佳。

4 阻尼減振方案及改造效果

根據(jù)用戶提出的減振改造要求，需要保證裝置連續(xù)生產(chǎn)不停機(jī)，傳統(tǒng)的管道減振方法則都不適用，故采用以蜂窩型阻尼器為基礎(chǔ)的阻尼減振技術(shù)進(jìn)行改造。

結(jié)合阻尼減振模擬仿真結(jié)果和現(xiàn)場管道布置情況，在原有平臺上搭建新的框架，框架上外伸橫梁用于安裝阻尼器。在A點(diǎn)安裝2個阻尼器，在B、C處各安裝1個阻尼器?，F(xiàn)場安裝4個阻尼器后，分餾塔進(jìn)料管道振動現(xiàn)象得到明顯改善，消除了管道晃動現(xiàn)象。再次測量管道振幅，與未安裝阻尼器時的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，振幅最大降幅達(dá)95%，平均降幅超過90%。此次管道阻尼減振改造效果明顯，分餾塔進(jìn)料管道的振動得到有效控制，整條管道在安全范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

(1)分餾塔進(jìn)料管道內(nèi)存在氣液兩相流，壓力脈動沖擊彎管和閥門，導(dǎo)致管道振動，存在復(fù)雜的流固耦合振動現(xiàn)象。管道介質(zhì)中的水組分也會引起管道振動。

(2)利用ANSYS Workbench軟件建立管道模型，得到的管道振動模態(tài)與現(xiàn)場實測情況相符。計算得到了振動管道的各階模態(tài)和振型，認(rèn)為共振是產(chǎn)生振動的原因。此外，進(jìn)料管道缺少支撐也是造成振動的主要因素之一。

(3)利用ANSYS軟件進(jìn)行阻尼減振模擬仿真，得到了最有效的減振方案。在不停機(jī)的基礎(chǔ)上，在原有平臺上搭建新的框架，外伸橫梁安裝阻尼器，將管道振動能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散，管道振幅平均降幅超過90%。管道振幅實測數(shù)據(jù)表明蜂窩型阻尼器能有效減小加氫分餾塔進(jìn)料管道的振動，提高管道壽命，從而保證石化企業(yè)安全生產(chǎn)。