丁烯離心泵和柱塞泵的管道振動分析及阻尼減振研究*

陳 果，何立東，韓萬富，裴正武

（北京化工大學診斷與自愈工程研究中心，北京100029）

0 引言

在石化企業中，離心泵和柱塞泵是應用廣泛的一種機械設備，其附屬管線由于長期工作在振動交變載荷作用下，常常會因為疲勞而造成損壞，嚴重的甚至會造成機泵整機的報廢。因此，必須對其進行分析研究，并加以處理，使機泵系統處于平穩運行狀態，以延長機泵使用壽命［1］。

遼寧某廠車間一裝置中對原料丁烯進行加壓的離心泵和后續增壓柱塞泵進出口管道存在振動過大問題，本研究通過對離心泵和柱塞泵進出口管道振動頻率及振幅進行測量，運用CAESARⅡ軟件對管道進行模態計算分析；根據管道模態計算分析結果，運用管道阻尼減振技術在管道上的合適位置安裝阻尼器，以對其進行減振。

1 阻尼減振技術原理分析

管道系統在任意時刻的能量方程為：

Et=Es+Ef

式中：Et—振動過程中輸入給管道系統的能量，Es—管道系統自身的耗能，Ef—附加耗能構件（如阻尼器）的耗能。

從能量守恒觀點分析，Et一定時，增大阻尼器的耗能Ef，管道系統自身振動能量Es將減小，管道系統振動降低［2］。

阻尼器是一種應用廣泛的耗能減振設備，其內部有活塞桿和大量粘滯性阻尼液。當阻尼器與管道連接后，管道振動傳遞到阻尼器中的活塞，使其在高粘度阻尼液中產生相對運動，運動過程中產生了強大的摩擦力和剪切力，來阻礙阻尼器活塞的相對運動，活塞把阻尼液提供的阻尼力反饋給管道，相當于增加了整個管道系統的阻尼，該過程中阻尼器把管道振動的機械能轉換為熱能而耗散掉，因此系統振動能夠被有效抑制，最終達到減振的目的［3-7］。

2 離心泵進出口管道振動改造

2.1 離心泵進出口管道振動情況

遼寧某廠車間加壓離心泵進出口管道實際分布如圖1所示。管道規格為Φ 219 mm×8 mm，介質為丁烯氣體，介質溫度為90 ℃～120 ℃，離心泵轉速是2 940 r/min，揚程是55 m水柱，把初始壓力為0.55 MPa的丁烯氣體提高到1 MPa。

圖1 離心泵進出口管道實際分布圖

裝置自運行以來，由于離心泵進出口管道的位置高度差為3.5 m，介質輸送過程中勢能與動能迅速發生較大轉化，至使介質流速發生急劇變化，同時該部分管道在較小區域內出現了11個彎頭，并且為了滿足同時為兩臺離心泵提供介質，管道采用2 個倒T 型分支管，介質流過彎頭和T 型管時容易引起介質流速和流向均發生急劇變化、管道內產生較大的壓力脈動，對管道產生較大沖擊，致使離心泵進出口管線振動強烈。試車時，筆者發現主管道多處位置的振動幅值超過0.6 mm，離心泵進口處直徑50 mm的支管振幅達到2.4 mm，均已達到美國普度標準規定危險區域，必須進行減振處理。當前，為了控制管道的振動，筆者在管道的出口處使用了木頭對管道進行固定約束，但是管道的強烈振動經常將固定用的木頭振松，使設備在生產過程中出現很大的安全隱患。

2.2 離心泵管系的模態分析

根據現場對管道尺寸的測量數據，本研究運用CAESARⅡ軟件對管道進行1∶1建模，離心泵管道模型如圖2所示。

圖2 離心泵進出口管道模型圖

建好管道的有限元模型之后，本研究根據現場管道的實際工況在管道上加上相應的約束條件，以計算管道的模態。通過現場實測發現，離心泵管道在ABC、DE、FGH處管道振動劇烈，振幅很大，而且振動頻率為16.49 Hz，通過分析計算，管道的第6階振動模態的振動頻率為16.89 Hz，其振型如圖3所示。

研究者可以算出其共振區域為13.51 Hz～20.27 Hz，實際振動頻率剛好落在該管系的共振區域之內，所以該管道振動的主要原因是發生了共振。本研究將以第6階模態為依據［8-9］制定減振方案。

2.3 離心泵管系減振方案及減振效果

根據離心泵模態分析結果，同時結合現場實際情況，在不改變管道原有結構的情況下，本研究在管道振動幅值較大的位置安裝阻尼器。

阻尼器現場安裝圖如圖4所示。

圖3 離心泵進出口管道第6階振動模態

圖4 離心泵管道阻尼器現場安裝圖

現場安裝上阻尼器之后，本研究使用測振儀對離心泵進出口管道按如圖5所示測點測量管道各個位置的振動幅值。各點振動幅值如表1所示。振動幅值減振前后變化比較如圖6所示。

圖5 離心泵管道振動測點位置圖

由表1 中總結的減振前、后管道振動幅值可以得出，在改造前，增壓離心泵處的主管道振動就已經非常大，最大振動幅值為1.29 mm，改造后最大振動幅值為0.14 mm，最大降幅為89.8%；表1中測點4、5的振幅值為增壓離心泵主管道旁路DN50管道減振前后的振動幅值。由表1中數據知，DN50管道的最大振幅由減振前的3.1 mm 下降為減振后的0.27 mm，最大降幅為91.3%，減振效果非常好［10-11］。

表1 離心泵管道阻尼器安裝前后振幅對比表

圖6 離心泵管道減振前后各測點振動幅值變化圖

3 柱塞泵進出口管道振動改造

3.1 柱塞泵進出口管道振動情況

圖7 柱塞泵進出口管道局部圖

進料柱塞泵進出口管道局部圖如圖7所示。管道規格為Φ 219 mm×8 mm，介質為丁烯氣體，介質溫度為90 ℃～120 ℃，丁烯氣體經過離心泵增壓至1 MPa后被輸送到柱塞泵處，再把壓力提高到6 MPa，柱塞泵轉速是1 490 r/min。柱塞泵在工作的過程中由于柱塞泵往復運動產生壓力脈沖，壓力脈沖作為激發管道振動的主要激振力，當脈沖頻率與管道的固有頻率發生共振時，會引起管道的強烈振動。同時，管線中連續出現9個彎頭、2個丁字路口和管道中缺少固定約束也是管道產生強烈振動的主要原因，雖然后來增加了很多支撐，但是在壓力升到3.5 MPa時，管道最大振幅就已經超過0.5 mm，達到美國普度標準規定危險區域，必須進行減振處理。

3.2 柱塞泵管系的模態分析

本研究運用CAESARⅡ軟件對柱塞泵管道所建的有限元模型如圖8所示。通過現場實測發現，柱塞泵管道在A、BC、DE、FG、HI處管道振動劇烈，振幅很大，而且振動頻率為16.49 Hz，通過分析計算，管道的第11 階振動模態的振動頻率為16.23 Hz，其振型如圖9所示。可以算出其共振區域為12.98 Hz～19.48 Hz。實際振動頻率剛好落在該管系的共振區域之內，所以該管道振動的主要原因是發生了共振。減振方案的制定將以第11階模態為依據。

圖8 柱塞泵進出口管道模型圖

圖9 柱塞泵進出口管道第11階振動模態

3.3 柱塞泵減振方案及減振效果

根據柱塞泵進出口管道模態分析結果，本研究在振幅位置最大的地方安裝阻尼器。柱塞泵管道在安裝阻尼器前后管道各點的振動幅值如表2所示，該部分管道的最大振動降幅為69.5%，減振后振動幅值都低于0.2 mm，滿足美國普度標準規定的安全范圍，管道可以用于安全生產。

4 結束語

離心泵和柱塞泵管道系統振動現象普遍存在，嚴重影響到石化行業的生產安全，必須加以控制，以保證生產的安全進行。

管道系統振動的原因比較多，最常見的是管道結構由于流體壓力的脈動產生共振，以及管道的彎頭及閥門處流體的沖擊造成的振動。本研究通過運用CAESARⅡ軟件對管道進行模態分析，將現場數據與模態進行對比，并得到了管道振動原因，從而為阻尼器安裝提供了可靠的依據。管道阻尼器可以在不改變管道結構的情況下進行減振，并且在不停機的狀態下安裝，保證了生產的連續性。

以上實際工程應用結果證明，管道阻尼器能夠有效控制管道的振動，保證生產的安全，延長管道的使用壽命。

（References）：

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