两相流工艺管线振动分析及减振控制

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摘要： 针对炼厂常减压蒸馏装置中脱后原油管线局部振动现象，从理论上分析两相流工艺管线产生振动的各种原因，找到引起振动的关键因素，依据现场工作情况，采用在合理部位增加导向支架的措施，使脱后原油管线振动得到控制，从而达到延长管线使用寿命，减少安全隐患，提高装置生产安全性的目的。

Abstract: Upon the phenomena of desalted crude oil partial piping vibration in crude distillation unit in refineries, this paper is to analyze reasons of two-phase flow process piping vibration and to find out the key factor in which arise vibrations. To take the measurement to install guiding supports at reasonable locations based on site requirement in order to make good control of desalted crude oil partial piping vibration, thereby to extend piping service life and reduce safety hidden troubles, as well as enhance unit processing safety.

关键词： 工艺管线；两相流；振动

Key words: process piping；two-phase flow；vibration

中图分类号：TH11文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）04-0038-01

0引言

气-液两相混合物在工艺管线中的流动是石油化工装置中最常见的流体流动状态之一。当工艺管线中流体的压力脉动的谐振频率与管道结构的固有频率接近时，管线出现明显的振动，致使管线系统遭到破坏，降低管线使用寿命，甚至发生重大事故[1]。由于两相流具有单相流中所不存在的许多复杂因素，所以解决和分析由两相流引起的管线振动问题也更为困难，尤其针对实际炼油工况中出现的油-气两相流引起的工艺管线振动问题研究的还不多，更是缺乏适合工程应用的分析方法和解决方案。

本文针对600万吨/年常减压蒸馏装置中脱后原油管线局部振动问题，结合具体工艺参数及安装条件，对产生振动的各种因素进行详细分析，找出最便于解决问题的关键因素来降低工艺管线振动量，使此管道系统的振动得到控制，排除安全隐患。

1研究对象简介

600万吨/年常减压蒸馏装置中脱后原油管线局部振动问题出现在换热构架两台换热器之间。构架上所有换热器的管线布置方法基本相同，但开工运转起来后只有此条管线出现振动，并且在装置50%负荷前无明显振动，当装置逐渐接近满负荷时，管线出现明显振动。剧烈振动的管线上有多处环焊口，法兰及阀门，长时间振动会严重影响装置的安全性。管线布置简图如图1。

系统主要参数：管线材质：20#钢；介质：脱后原油；管线尺寸：?准325X6.5；介质操作温度：209℃；介质操作压力：0.5MPa。

2工艺管线产生振动分析

2.1 充液管道振动产生的一般原因[2][3]管道系统的振动是一种机械振动，引起管道振动的因素也较为复杂，一般来说，管道内部流体激扰及管道外的随机载荷作用是其产生振动的主要原因，具体归纳为以下5点：①管道系统液体流动状态突然改变，出现液压冲击，使管道产生振动；②液体流经节流口处，将出现空穴现场，致使管道产生振动；③管道内液体流动速度过快，管道系统的设计与配置不合理，导致管线出现振动；④液压泵和液压马达的结构参数及进出口管线设计不正确而产生的管道振动；⑤管道系统根据配置情况、支撑的类型和位置也含有一系列的固有频率，当激发频率与某阶段固有频率相等或接近时，便发生管道的机械振动。

2.2 气-液两相流工艺管线振动分析近些年来，各国学者对各种两相流体系的各种流型及一般滞流问题、压降问题等进行了广泛的研究，并发表了各种类型的流型图，最著名的分别为：戈威尔流型及曼德汉流型。根据流型图，便可以判断出流体的流型[4]。

流体中各相的表观速度计算公式：

V表观=Q/A=4Q/（πD2）

式中：

V表观：表观流速，m/s

Q：流体体积流量，m3/s

A：管道截面积，m2/s

D：管道内径，m

从上式中可以看出，在管径一定的情况下，流体中的各相表观速度与流体体积流速成正比。此次常减压蒸馏装置中脱后原油管线振动问题也是出现在装置逐渐接近满负荷时，即随着流体体积流量的增大，气-液两相表观流速随即增大。依据戈威尔流型及曼德汉流型判断，气-两相流在竖直管道中的流型大体为雾状流；在水平管道中的流型主要为环雾状流。

雾状流与环雾状流极易使流体发生紊流，尤其是环雾状流。高速紊流的出现导致管线内部激扰，从而导致管线出现振动。由于换热器平台为钢平台，所以所有管系微小的振动通过钢平台传递叠加。当此管线中流体的内部激扰谐振频率与通过钢平台传递叠加的固有频率接近时，导致管线出现共振，从而使管系局部出现明显的振动。

3工艺管线减振方案

由分析可以看出，降低管线振动的措施主要有：降低流体中的各相表观速度；改变管道的局部走向；增加或改变支吊架的型式及位置。在实际生产中，前两个方案由于必须停工才能进行施工改造，严重影响工厂的生产进度及经济效益；增加或改变支吊架的型式及位置无疑是最简单、经济的选择。

综合以上分析，结合实际空间状况，在图1中上端水平管线顺流弯头后部位增加导向支架，以提高管线自身的固有频率，避免产生共振，从而大大降低此段管线的振动。

4结论

通常在石油化工安装设计中，一般只能从强度方面考虑满足管线安装的要求，极少考虑到工艺管道系统的振动影响，因为管线振动问题在设计中是一个无法预知的难题。本文通过解决炼厂脱后原油管线局部振动实例，详细分析了引起管线振动的原因和减振方案。并结合工厂实际情况，采用在水平管线上增加导向支架的方法，解决了管线大幅振动问题，取得了满意的效果。

参考文献：

[1]屈维德.机械振动手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

[2]刘怀广，孔建益.充液管道系统振动分析与控制的讨论[J].湖北工业大学学报,2005，20（3）：78-79.

[3]聂志峰.管道振动理论分析与控制研究[D].山东科技大学机械电子工程学院,2000.

[4]刘清玉.两相流管线振动分析[J].石油化工设计,2001，18（1）：25-27.