關于反應釜高壓清洗管系設計的探討

范倫旋

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

公司于2013年承接某科技有限公司特種聚氨酯項目，根據產品黏度高、清洗困難等情況，采用了高壓清洗系統，該高壓清洗系統的設計壓力為55MPa，操作壓力為50MPa，該壓力超出了《工業金屬管道設計規范》(GB 50316-2000(2008版))規定的公稱壓力小于等于42MPa的要求，屬于超高壓力，尤其是高壓三通和高壓彎管的內、外側壁厚的計算更是沒有規范或標準進行支持，造成高壓清洗系統管道及管件的計算難度加大。

該項目屬于間歇生產，要求原料和產品品種更換頻繁，為保證產品質量，需要對反應釜等進行頻繁的清洗。該高壓清洗系統的高壓流體輸送泵采用柱塞泵，因此，更加導致了反應釜高壓清洗管系振動問題頻發。管道振動問題比較常見，但如此高壓力的管道振動情況必須予以重視，否則將造成不可估量的嚴重事故。本文針對高壓清洗管系振動問題進行了詳細的研究與論證。

1 壁厚確定

設計條件如表1所示。

表1 高壓清洗系統設計條件

1.1 高壓直管壁厚的設計

高壓直管壁厚的計算依據參考《工業金屬管道設計規范》(2008年版) GB50316-2000 及《壓力管道規范 工業金屬管道》 GB/T 20801-2006，波特曼公式作為計算依據，計算出直管壁厚，然后用ASMEB31.3標準校核直管的計算壁。經查《工業金屬管道設計規范》(2008年版) GB50316-2000得出，20G在設計溫度下的許用應力為137MPa。波特曼公式以及ASME B31.3-2012規范中壁厚計算公式分別如式(1)、(2)所示。

波特曼公式

(1)

ASME B31.3-2012規范中直管壁厚計算公式

(2)

通過應用波特曼公式計算，ASME B31.3-2012規范中公式驗證，以及廠家的推薦，確定壁厚在14左右。又根據以往設計經驗，直管壁厚設計余量取5%～10%，考慮到方便施工，最終將管道規格確定為φ65X16的管道。

1.2 彎管壁厚的計算

采用《壓力管道規范 工業金屬管道》GB/T20801-2006作為計算彎管內、外側壁厚的理論依據，根據GB/T20801-2006和ASMEB31.3兩個標準計算出的差值計算出高壓彎管的設計壁厚。最終確定彎管壁厚與直管壁厚相同。

1.3 三通的校核

對于55MPa下高壓三通的設計，國內標準JB/T 1308.17-2011中PN2500《超高壓閥門和管件》只適用于工程尺寸為N3～DN25，本項目公稱通徑DN50超出該標準的設計范圍，如果利用該標準計算依據不足。經調研現行高壓清洗管道使用的三通為整體成型三通，加工工藝采用自由鍛+機械加工，因此決定對整體成型的三通按照《壓力管道規范 工業金屬管道》GB/T20801-2006中承壓面積法對三通的強度進行反復校核，校核高壓三通補強范圍高度、三通的有效長度以及三通的外形加工尺寸。

2 振動問題的發現

確定管徑壁厚后，經管系分析，原設計反應釜高壓清洗管系存在較大的振動問題，振動特點如下：

(1)柱塞泵出口管道、彎頭附近、管系端點靠近用戶處的部分振動劇烈。

(2)該管系支吊架以吊架居多，強度大的落地支架較少。

通過與柱塞泵廠家進行技術交流，了解了該柱塞泵的其他基本參數，如圖1所示，該泵的激發頻率為25Hz。通過分析管道與泵的參數得出，管道較細，柔性好，剛度低，若管道走向及支架設計若管道走向設計不合理，管道柔性過大，其固有頻率極易落在泵激發頻率的0.8～1.2倍之內，就會導致管系振動劇烈。但若一味增強管系剛度，勢必會造成應力集中，影響管系穩定性，剛度與應力兩者間必須要把握好度。

圖1 高壓清洗管系柱塞泵基本參數

管機專業采用CAESAR II和ansys有限元分析軟件，對該管道模型進行有限元理論分析，如圖2、3所示。

圖2 CAESARII管道應力分析模型 圖3 彎頭Ansys有限元應力分析模型

通過整體應力模型分析，該管系的固有頻率為30Hz，剛好落在高壓柱塞泵激發頻率的0.8～1.2范圍內，導致管系振動劇烈。通過Ansys對端點、彎頭處剛度分析，發現端點和彎頭處的剛度是很小的位置，需著重增強剛度，降低柔性。至此，經分析以及軟件計算，發現導致反應釜高壓管系振動的根本原因是管系固有頻率過低。

3 振動問題的解決

請教專家后，擬將高壓清洗管系固有頻率提高到50Hz及以上，可以有效減少管系振動，并且滿足安全裕量的要求。

經CAESAR II計算分析，原有管道布置不合理，管系柔性太大，剛度太小，其固有頻率與柱塞泵激發頻率接近，導致振動較大。原有管道支架設置不合理：管道走向確定的前提下，管道支架的設置能顯著增強較細管道的剛度，尤其是在管系末端位置，剛性強的支架能有效減少管系振動。

通過改變管道走向，對比振動大小，確定了最佳的管道布置，對比結果如圖4所示。

圖4 不同管道走向下管道柔性分析

增加支架數量，增強高壓清洗管系的剛度，提高固有頻率，支吊架前后對比圖如圖5所示。

圖5 支吊架數量前后對比圖

通過上述方式即改變管道走向、增加支吊架數量以及剛度，提高高壓清洗管系的固有頻率，經CAESAR II計算分析，高壓清洗管系固有頻率提高到50Hz及以上，避開了高壓柱塞泵激發頻率的0.8～1.2范圍，從而解決了振動劇烈的問題。

4 問題總結

超高壓是反應釜高壓管線設計的難點，本次設計采用多方調研和研究評審等方式解決本項目的難點。通過調研國內一家外資企業類似項目正在運行的實際工作壁厚，利用本次研究方法進行反推驗證，得出理論計算厚度與實際選取厚度是吻合的，證實了本次研究方法具有一定的可靠性。通過多次調整管道走向和合理設置高壓管架的類型及位置，理論上解決了反應釜高壓清洗管系的振動問題。該項目已經一次性開車成功，經與業主溝通交流，高壓清洗管系運行良好，沒有出現振動以及噪音較大的情況。