蒸汽管道噪音、風(fēng)機出口管道振動問題的分析與解決方案

丁方園

(南京延長反應(yīng)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210043)

管道系統(tǒng)的噪音與振動一直是化工裝置運行中存在的問題，不僅嚴重影響著操作人員的身心健康，甚至還會帶來人員的傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。長時間大幅度振動，能夠使材料疲勞變形，從而使設(shè)備結(jié)構(gòu)及管道系統(tǒng)遭到破壞，尤其是管道連接部位(如螺栓、閥芯、密封)的脫落和損壞，甚至?xí)苯訉?dǎo)致管道破裂，造成次生火災(zāi)、爆炸和中毒等安全事故；影響壓縮機的工作狀態(tài)及工作效率，使管道附件(如閥門、儀表、過濾器等)損壞；還會影響操作人員的情緒，導(dǎo)致操作失誤[1，2]。對于石油化工企業(yè)，最重要的就是裝置能夠安全穩(wěn)定地運行，管路系統(tǒng)的振動對企業(yè)經(jīng)濟效益構(gòu)成了巨大的威脅，王勇等[3]指出，美國每年因管道振動導(dǎo)致的事故在各種事故中排第二位，直接經(jīng)濟損失高達100億美元。

因此，解決管道噪音與振動問題，是保證運行人員身心健康、生命安全和減少化工裝置事故損失的有效措施。現(xiàn)對項目現(xiàn)場蒸汽管道的噪音問題與風(fēng)機出口管線振動問題進行分析，并有針對性地進行優(yōu)化、改造，從而緩解管道的噪音與振動問題。

1 蒸汽管噪音問題的分析解決

1.1 蒸汽管噪音問題的原因分析

原飽和蒸汽管道的設(shè)計流量為4t/h，蒸汽壓力為0.4MPa(g)，蒸汽管道規(guī)格為φ133×4，設(shè)計流速為40.9m/s，而實際運行的流量為9.6t/h，流速達到了98.2m/s，此時的噪音值高達111dB，初步判斷流速太快是導(dǎo)致噪音過高的主要原因。對現(xiàn)場進行實地踏勘，發(fā)現(xiàn)蒸汽管道在安裝時，為了躲避干涉設(shè)置了一個Z形的彎折，導(dǎo)致蒸汽在管道中流動時形成強烈的湍流，進一步加劇了噪音的產(chǎn)生。

1.2 蒸汽管噪音問題的解決辦法及效果

針對上述情況，計劃對原管道進行擴徑，并重新敷設(shè)管道，但受現(xiàn)場安裝條件的限制，只能將管徑增加到φ159×4，將管道鋪設(shè)得更加順直。改造后運行的實際流量為9.8t/h，蒸汽壓力仍然為0.4MPa(g)，流速可以降低到68.7m/s，此時噪音值降低為95dB，降噪效果明顯。改造后噪音雖然仍然較高，但由于蒸汽管道距離平臺約有4.0m的距離，在平臺上巡檢時已經(jīng)明顯沒有尖銳的氣流聲。可見對于靜設(shè)備的管路，介質(zhì)流速是管道產(chǎn)生強噪音的主要原因，因此，建議蒸汽管道設(shè)計及運行流速應(yīng)控制到40m/s以內(nèi)，并且配管時應(yīng)盡量避免連續(xù)轉(zhuǎn)彎的情況。

2 風(fēng)機管道振動問題的分析與解決

2.1 風(fēng)機管道系統(tǒng)設(shè)計情況

風(fēng)機系統(tǒng)中共設(shè)置了3臺羅茨風(fēng)機，分別為1#風(fēng)機、2#風(fēng)機和備用風(fēng)機，其中1#與2#風(fēng)機分別通過一路管道與后續(xù)設(shè)備連接，每路管道上設(shè)置1臺氣動蝶閥，備用風(fēng)機出口母管后共設(shè)計了兩路支管，每路支管分別由1#和2#風(fēng)機管道閥后接入，每路支管設(shè)置1臺氣動蝶閥，3臺風(fēng)機出口均設(shè)置了軟連接，具體配管情況及閥門安裝位置見圖1。

圖1 風(fēng)機管道系統(tǒng)布置

2.2 風(fēng)機管道振動情況及原因分析

在1#與2#風(fēng)機運行過程中發(fā)現(xiàn)出口管道振動劇烈，并伴隨強烈的噪音。在劇烈的振動下，3臺風(fēng)機出口的氣動蝶閥發(fā)生了不同程度的損壞(見圖2、圖3)，1#與2#風(fēng)機出口管氣動蝶閥閥板螺絲脫落、執(zhí)行機構(gòu)螺桿松脫，備用風(fēng)機氣動蝶閥用于封堵的鋁板破裂。

圖2 1#、2#風(fēng)機蝶閥損壞情況

圖3 備用風(fēng)機蝶閥封堵鋁板損壞情況

為了進一步了解管道振動的劇烈程度，對管道及閥門的振動進行了檢測，具體檢測數(shù)據(jù)見表1。由表1可見，裸露在保溫棉外部的檢測位置(如風(fēng)機出口管道、風(fēng)機出口蝶閥執(zhí)行機構(gòu))的振動位移值、振動速度、振動加速度值均比較高，同時需要說明，由于1#與2#風(fēng)管的氣動蝶閥包裹在保溫棉中，無法準確檢測出實際的振動數(shù)據(jù)，因此文中沒有列出。

表1 改造前風(fēng)機出口軟連接后管道、氣動蝶閥執(zhí)行機構(gòu)振動值

結(jié)合風(fēng)機管道及附件的振動值與管道的布置情況，對風(fēng)機管道系統(tǒng)劇烈振動的原因進行分析。風(fēng)機出口管上設(shè)置了軟連接，風(fēng)機產(chǎn)生的機械振動在軟連接處會有較明顯的衰減，對后續(xù)的管道及管件影響較小，可以初步排除因風(fēng)機的機械振動導(dǎo)致管道的振動。

系統(tǒng)中的風(fēng)機為羅茨風(fēng)機，由于羅茨風(fēng)機吸排氣存在周期性和間歇性，從而引起管道內(nèi)的氣體在速度、壓力和密度等流動參數(shù)影響下的變化，西安交通大學(xué)管道振動科研組和劉虎等人[4，5]稱這種氣體流動參數(shù)隨時間和位置周期性變化的現(xiàn)象為氣流脈動。氣流脈動能夠引起管道的振動，管道長時間劇烈的振動，會引起管路附件的損壞，尤其是管道的銜接部位及閥門的活動部件。另外，當(dāng)管道結(jié)構(gòu)和管道內(nèi)氣柱的固有頻率相接近時，甚至?xí)l(fā)生共振，從而導(dǎo)致更嚴重的事故發(fā)生[6]。

目前，管路系統(tǒng)的振動情況及閥門損壞情況與氣流脈動引起的狀況十分吻合，可以初步判斷是因風(fēng)機出口空氣的脈動氣流而導(dǎo)致1#與2#風(fēng)機出口氣動蝶閥的閥板及執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生強烈的振動，從而使閥板的螺絲脫落與執(zhí)行機構(gòu)螺桿松脫，而同時脈動氣流如同“氣錘”不斷撞擊備用風(fēng)機管道氣動閥門的封堵鋁板，導(dǎo)致封堵鋁板破碎。

2.3 風(fēng)機出口管道振動的解決方案及效果

針對風(fēng)機管道的布置及振動情況，建議一方面增加風(fēng)機管道系統(tǒng)的支撐點，對管道進行加固；另一方面，出口管處設(shè)置緩沖裝置，并在緩沖裝置中安裝紊流或氣流脈動衰減內(nèi)件[7，8]。①方法一：提高管道的剛度，從而減小振動位移，與此同時還可以改變管路的固有頻率，避開共振頻率值，防止發(fā)生共振；②方法二：對氣流脈動采取適當(dāng)?shù)南艽胧瑥亩鴾p弱氣流脈動對管道的影響，以達到保證安全生產(chǎn)的目的。對改造后的風(fēng)機出口管道、氣動閥門進行了檢測，具體數(shù)據(jù)見表2，與改造前的振動值相比，風(fēng)機出口軟連接后管道、氣動蝶閥執(zhí)行機構(gòu)的振動幅度、振動速度及振動加速度都明顯減弱。

表2 改造后風(fēng)機出口軟連接后管道、氣動蝶閥執(zhí)行機構(gòu)振動值

現(xiàn)場也對運行情況進行了長時間的跟蹤，氣動蝶閥的閥板及執(zhí)行機構(gòu)的螺桿未出現(xiàn)松脫或其他故障。

3 結(jié)語

綜上所述，對于靜設(shè)備的管路，介質(zhì)流速是管道產(chǎn)生強噪音的主要原因，因此，建議蒸汽管道設(shè)計及運行流速應(yīng)控制到40m/s以內(nèi)，并且管道布置盡量順直，避免設(shè)置小角度的不規(guī)則彎曲。

對于容積式風(fēng)機或壓縮機，需要保證管道有足夠的機械強度，有條件時，設(shè)計可以進行頻率分析計算，以便避開共振區(qū)，同時考慮風(fēng)機氣流脈動的危害，可通過設(shè)置緩沖罐、氣流脈動衰減器等方法緩解氣流脈動引起的管道振動。