柱塞泵輸送固液兩相流管道的減振對策

梁亞棟 肖敦峰 賈自強 中國五環工程有限公司 武漢 430223

柱塞泵借助缸體中的容積周期性變化工作，其出口液體流量是脈動的，引起泵管路液流的壓力脈動。當排出壓力的變化頻率與排出管路的固有振動頻率相等或成倍數時，會引起管道系統的共振;同時造成泵的電動機負荷不均，出現容積效率降低、功率消耗增加、氣閥工況變化，直接縮短泵的使用壽命。與此同時管道系統的共振會導致管道和管架的疲勞破壞，誘發建筑物振動、噪音及管道與附件松動，引發重大安全事故。因此，柱塞泵及管道振動一直被相關人員所關注。

本文通過對某1，4 -丁二醇裝置低壓加氫給料泵管路振動原因分析，找出泵體和泵出口管道振動的主要原因，提出整改意見。

1 管路振動原因分析

1，4 -丁二醇裝置在試車過程中，低壓加氫給料泵出口管道振動劇烈，整個管系形成脈沖式振動，泵流量加大時，管架和管托振動加劇，噪聲增大，影響正常的運行。

該柱塞泵為本工藝裝置重要工序低壓加氫反應器給料泵，在整個裝置的生產過程中起到承上啟下的作用，因此解決該管路的振動問題顯得尤為重要。泵進口管為DN100，出口管為DN50，泵的這一配管思路，會造成縮頸而引起管道流體波動較大。但根據工藝要求，該管道中的流體中含有固體催化劑顆粒(主要成分:丁炔二醇+雷內鎳+水)，若將管道口徑改大，則管道中介質的流速會降低，固體顆粒會沉積，影響柱塞泵的正常使用。

通過查找相關資料和總結，影響柱塞泵及連接管路振動的原因:①由于柱塞泵柱塞缸數設置不合適，泵進出口管內流體脈沖偏大;②脈動控制設備規格設置不合理;③出口管路三通、彎頭、閥門多，管架設計不合理;④泵的布置與出口容器太遠;⑤泵與管架產生共振。

1.1 柱塞泵缸數的影響

柱塞泵靠柱塞的往復運動，使缸體中的容積產生周期變化，使得進排液閥交替打開與閉合，從而完成吸液和排液。因此柱塞泵流體的流動是周期性的、脈動的，沒有離心泵平穩。

柱塞泵缸數越多，各個缸流量曲線的波峰和波谷相互補充的越充分，流量越均勻。理論上如果缸數無限多，則出口流體可看做是穩定流體。受結構復雜程度、制造、維護難度、曲軸長度及剛性、機組振動等各種因素影響，缸數一般不超過8 個，多為6 缸以內。

由于柱塞泵的結構特點，壓力脈動始終存在，因此柱塞泵管道在允許范圍內存在某種程度的振動，但關鍵是要避免該系統發生劇烈振動導致管道疲勞破壞。

根據泵廠家提供的數據，一期工程單缸單作用的P203 泵流量不均勻系數分別為:最大不均勻系數為214% ～220%;最小不均勻系數約為100%。通過以上數據可以得出，不均勻度偏大，是造成泵出口管道振動的主要原因之一［1］。

通常柱塞泵的數量為奇數時流量脈動比偶數時小，而有時選擇奇數困難。國內某知名泵廠最大能力的柱塞泵為行程30mm，柱塞直徑85mm，限于轉速不易太高，三泵頭無法滿足項目工藝流量要求;進口的泵可以做到三泵頭，但價格較高。三泵頭以上，雖然偶數泵頭脈動比奇數泵頭大一些，但絕對值在可接受范圍內，再加上出口緩沖罐，能滿足工藝對波動的要求?；谏鲜龇治?，項目二期工程設計中，通過工藝計算和成本核算對比，將P203 選用四沖程泵，由于其自身的脈沖系數很小，經過緩沖罐后，二期工程P203 泵的殘余不均勻系數(即殘余脈沖)小于2%。

1.2 脈動控制設備的影響

脈動控制設備通過降低柱塞泵進出口管道系統的波動，使管系輸出接近平穩。常見的脈動控制設備:緩沖罐、阻尼器、蓄能器、減振器、防止器、液壓隔離器、抑止器、減弱器、穩定器等［5］。緩沖罐分為常壓式和預壓式兩種。①常壓緩沖罐是在密閉容器中充常壓空氣;②預壓緩沖罐是在密閉容器中加一彈性原件(如橡膠囊)，其內充有惰性氣體。預壓緩沖罐具有結構簡單、安裝、拆卸方便，清洗方便、結構較小，不受空間位置的影響，成本低，收益高等特點，因此被廣泛采用。常見的預壓緩沖罐有直接接觸式緩沖罐、隔膜式預壓緩沖罐等。本項目中使用的緩沖罐為隔膜式預壓緩沖罐，由三部分組成:充氣膠囊、器體和連接結構，其中充氣膠囊是主要的工作部分。

柱塞泵進出口增設緩沖罐是利用氣體可壓縮和膨脹的特點，交替的儲存或釋放比均勻流量多或少的一部分液體，從而達到減少管路中流量和壓力脈動的目的。吸入緩沖罐的作用是減少吸入管路流量不均勻度，減少慣性損失，保持吸入壓力穩定。隔膜式緩沖罐用于進口時，其預充氣壓力應考慮到輸送介質的汽化壓力。一般由制造廠決定是否需要安裝吸入緩沖罐。排出緩沖罐的作用是減小排出管路流量不均勻度，減少流量脈動，排出緩沖罐的容積可按下式計算:［1］

式中，D 為柱塞或活塞直徑，m;L 為柱塞或活塞行程長度，m;Pd為泵出口壓力，MPa;Prs為泵出口管路的總阻力損失(不包括加速度頭)，MPa;Pgas為緩沖罐充氣壓力，一般為泵出口壓力的60%，MPa;δQ為工藝要求的允許殘余流量不均勻系數(即殘余脈沖);φ 為脈動系數，單缸泵取1.1，雙缸泵取0.42，三缸泵取0.05。

對于一期工程P203 泵(單缸單作用):泵入口總管上設置了一臺1m3的緩沖罐，所以進口不均勻應能滿足要求。泵出口設置緩沖罐容積為3L。進出口緩沖罐的容積是根據廠家提供的數據和計算并結合工程實際情況來確定的。

1.3 泵出口管線管件閥門的影響

本項目泵出口管線設置的管件和閥門偏多。液體在管內流動時，由于液體內部、液體和管壁之間都有摩擦存在，特別是液體經過三通、彎頭、閥門及突然變化的截面處時，由于流速的大小或方向發生了急劇變化，或因流速變化造成的壓降引起了介質的汽化而產生“汽蝕現象”，都會產生噪聲并引起振動。

1.4 泵與出口容器布置的影響

泵與泵出口容器之間的相對位置，也是引起管系振動的原因之一。若泵與所連接容器的距離偏遠，與之連接的管線就偏長，不可避免增加了相應的管件，增加了管內流體的變化，從而有可能引起整個管系的振動。

建議泵靠近出口容器布置，減少泵出口管線的管件數量。如果泵進口容器距離泵較遠，在泵進口處再設置一個中間緩沖罐(緩沖罐容積根據泵流量確定，一般取5 ～7min 的緩沖時間即可)。

1.5 泵與管系產生共振

造成柱塞泵管道系統振動的主要原因有兩類:①回轉機械旋轉部分不平衡產生的振動;②回轉機械旋轉部分不平衡產生的振動傳遞給與之相連接的管線，當回轉機械的振動頻率與連接管系的固有頻率相近時引起的管道共振。

回轉機械旋轉部分的不平衡是機械振動的主要原因，往復運動的機械由活塞慣性力和轉矩的不平衡產生振動，這種振動的頻率雖然不會與機械振動的頻率相同，有時卻是后一頻率的數倍。

管道機械共振由管道、管件和支架組成的管系是一個彈性系統。根據管道布置、支架形式、位置及邊界條件的不同，有其固有振動頻率。當管內流體壓力產生脈動時，脈動流體在彎頭、異徑管、閥門等管件處易產生激振力。管路管件越多，管道振動就越強烈［2］。

本管系的固有頻率計算，可用CAESAR II 應力計算軟件進行，得到應力計算報告。

本項目泵本體的振動頻率計算方法如下:

式中，f 為泵頻率;n 為往復一次的周期;t 為單位時間，min;a 為單位時間往復的次數。

通過計算可知泵本體的振動頻率很低，連接泵體的管系振動頻率比較高，要避開管系的振動頻率為泵本體振動頻率的整數倍，避免產生共振。

2 設計采用的控制振動的方法

對于本次改造，結合對原有管道共振特點的分析，提出整改方案:管道的結構振動與管道支撐有很大關系，支架的位置及型式在設計時經過CAESAR II 應力軟件分析來確定。要求施工單位嚴格按照設計來施工。低壓加氫給料泵(P203)已經全部就位，考慮到現場操作的工況、配管空間等因素，在泵出口處，在原有的緩沖罐的基礎上再增加一臺更大容積的緩沖罐，目前運行良好。

3 結語

柱塞泵產生的動態流動和管道系統中的音響共振的相互作用可以造成泵和管道中的壓力脈動、汽蝕、過度振動和損壞。管道系統的脈動特性是根據泵系統布置的復雜性、泵臺數、運行速度、液體性質和其它因素而決定的［4］。因此，應該在設計階段引起足夠重視。對于新建項目，為了避免由于設計不當引起柱塞泵和相應管路系統的振動，應從以下幾個方面考慮:

(1)在設計初期，根據工藝專業所提的工藝條件，對柱塞泵的脈沖影響進行核算，確定選用單缸泵還是多缸泵，通常柱塞為奇數時流量脈動比偶數時小。柱塞泵的選擇既要滿足工藝要求，又要經濟合理，振動最小。

(2)泵的進出口設置適當容量的緩沖罐也是解決泵出口管道振動的手段之一。建議關注進出口脈動控制設備尺寸規格的選擇，請廠家準確計算并提供計算依據，并留有足夠的余量，確保盡量消除泵及管線的震動。

(3)在滿足工藝條件的情況下，盡量減少管件，使用直通式閥門，減少由于管件太多，管內流體劇烈變化引起的噪音和振動。

(4)對于壓力比較高，流量較大的柱塞泵進出口管線，需要進行應力計算，確保管線的支架設置合理，避免柱塞泵的流量不均勻造成的脈動與進出管路的自振頻率相等或成整數倍，引起共振。

1 全國化工設備設計技術中心站機泵技術委員會編著. 工業泵選用手冊(第二版) ［M］. 化學工業出版社，2011:94-95、106.

2 葉少寧等. 緩沖罐在往復泵長距離輸送管道減振中的應用［J］. 新疆石油天然氣，2009，6:77 -81.

3 張紅娟. 往復泵管道振動分析及改造措施［J］. 化工設計，2000，10 (4):12 -15.

4 API 674 -2010，固定排量泵—往復泵［S］:40 -43，66-69.