蠟油加氫裝置加熱爐爐管振動分析

謝燕媚，仝保田，任興杰，唐 帥，段 權(quán)

（1.西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710000；2.山東京博石油化工有限公司，山東 濱州 256500）

在石油、化工行業(yè)中，管道的異常振動輕則導(dǎo)致管道與附件間磨損加劇，加速疲勞斷裂，重則引起泄漏、破裂造成嚴(yán)重事故［1-3］。山東某石化公司80萬t/a蠟油加氫裝置正常運(yùn)行時(shí)，加熱爐對流室轉(zhuǎn)輻射室處爐管發(fā)生劇烈振動，并伴隨間歇性異響，存在安全隱患。振動導(dǎo)致加熱爐一直處于低負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重制約了蠟油加氫裝置的進(jìn)一步提量生產(chǎn)。加熱爐爐管內(nèi)工質(zhì)為氫油比960～1 000的石蠟油和氫氣混合物，主要工質(zhì)為氫氣，氫氣由往復(fù)式壓縮機(jī)提供動力。 筆者在對往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動機(jī)理研究分析的基礎(chǔ)上，對加熱爐爐管進(jìn)行振動測試，并運(yùn)用ANSYS Workbench有限元軟件計(jì)算分析爐管振動原因。

1 加熱爐爐管振動分析基礎(chǔ)

往復(fù)式壓縮機(jī)工作時(shí)對壓縮機(jī)內(nèi)氣體進(jìn)行周期性的往復(fù)壓縮運(yùn)動，內(nèi)部存在周期性的氣流脈動，壓縮機(jī)內(nèi)部氣體流速非常高，對管道造成周期性變化的壓力脈動。設(shè)備和管道會因?yàn)槊}動壓力形成激振力，從而對管道系統(tǒng)產(chǎn)生一定的振動效應(yīng)。當(dāng)管道系統(tǒng)固有頻率與激發(fā)頻率相近時(shí)，會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，加大對管道系統(tǒng)的損傷，可能引發(fā)更嚴(yán)重的后果［4-7］。

2 加熱爐爐管振動測試

該蠟油加氫裝置加熱爐爐管中工質(zhì)為氫油比大于900的石蠟油和氫氣混合物。利用轉(zhuǎn)速400 r/min的循環(huán)氫壓縮機(jī)為氫氣提供動力，利用轉(zhuǎn)速2 980 r/min的離心泵為石蠟油提供動力。由于現(xiàn)場爐管振動基頻較低，因此采用低頻、量程大的加速度傳感器配合DH5903動態(tài)信號分析儀進(jìn)行振動信號采集。

因加熱爐內(nèi)溫度高達(dá)800℃，故測點(diǎn)選擇在靠近振動爐管的外壁面位置。根據(jù)異響劇烈程度判斷爐內(nèi)爐管振幅大小，根據(jù)信號的頻域來分析其振動特性。現(xiàn)場異響明顯來自于加熱爐輻射室，因此測試位置選擇在輻射室底部外壁面。第1次振動測試時(shí)工質(zhì)質(zhì)量流量為88～89 t/h，第2次振動測試時(shí)工質(zhì)質(zhì)量流量為90～91 t/h，得到的爐管振動測試頻域圖見圖1。

提高工質(zhì)質(zhì)量流量時(shí)加熱爐現(xiàn)場異響明顯增大。從圖1看出，爐管振動頻域集中在40 Hz以下，頻域信號較為復(fù)雜，估計(jì)爐管柔性較大，需進(jìn)一步對加熱爐內(nèi)部爐管進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。

圖1 加熱爐爐管振動測試頻域圖

3 加熱爐爐管振動分析

3.1 激發(fā)頻率計(jì)算

壓縮機(jī)的往復(fù)運(yùn)動頻率為激發(fā)頻率。激發(fā)頻率的計(jì)算公式為：

式中，f為激發(fā)頻率，Hz；m為系數(shù)，單作用氣缸時(shí)m=1，雙作用氣缸時(shí)m=2；n為壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)管道系統(tǒng)的固有頻率在激發(fā)頻率的共振區(qū)時(shí)，管道會產(chǎn)生明顯的共振現(xiàn)象。按式（1）計(jì)算，400 r/min的循環(huán)氫壓縮機(jī)存在6.67 Hz的激發(fā)主頻率。

3.2 模態(tài)分析

要分析管道是否發(fā)生共振，需得到管道結(jié)構(gòu)的固有頻率。實(shí)際的管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，獲得振動方程的精確解十分困難，故采用有限元方法求解復(fù)雜管道的固有頻率及振動響應(yīng)［8-12］。利用ANSYS Workbench有限元軟件對管道進(jìn)行模態(tài)分析，建立的加熱爐爐管有限元模型見圖2。

圖2 加熱爐爐管有限元模型

根據(jù)加熱爐爐管走向及參數(shù)定義管道模型，材料的泊松比 0.31、彈性模量 181.5 GPa、密度7.9×103kg/m3。對管道模型采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為793 993個(gè)。添加實(shí)際固定約束及彈簧吊架等約束，在對流室爐管與兩端管板接觸位置 （管板中心線距離180°彎頭焊縫 150 mm，管板厚度為 150 mm）添加徑向約束，在對流室出口爐管添加彈簧吊架（吊架位于對流室出口爐管水平段，距離對流室出口爐管豎直段中心線300 mm），在輻射室爐管上方180°彎頭處添加垂直彎頭的水平方向約束，在輻射室爐管下方導(dǎo)向管處添加徑向約束［13-17］。

利用ANSYS Workbench軟件計(jì)算加熱爐管道1階～150階固有頻率，典型的管道激發(fā)頻率倍頻見表1。由表1看出，爐管受到6.46、12.90、20.46、40.29 Hz等頻率信號激勵時(shí)容易產(chǎn)生共振，振型最大變形區(qū)域均為輻射室入口及附近爐管，激發(fā)主頻率為6.667 Hz。結(jié)合振動測試數(shù)據(jù)，可知循環(huán)氫壓縮機(jī)引起的氣流脈動會導(dǎo)致加熱爐輻射室入口爐管的徑向振動。

表1 加熱爐爐管典型激發(fā)頻率倍頻

3.3 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析可計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否能克服共振、疲勞及受迫振動造成的危害。對模態(tài)模型施加一個(gè)頻率為6.667 Hz、壓強(qiáng)為34.1 MPa（加熱爐爐管入口壓強(qiáng)為13.2 MPa，根據(jù)爐管內(nèi)徑面積與壁厚面積換算得到此值）的正弦壓強(qiáng)波，施加位置為對流室入口爐管壁厚面，方向與對流室入口爐管流速方向相同。加熱爐管道受到簡諧激勵后的振動結(jié)果云圖見圖3和圖4。

由圖3和圖4可見，對流室爐管越靠近出口，其位移變形越大。對流室排管在z方向上的實(shí)際約束為摩擦約束，x、y方向?yàn)槿s束，故其在z方向存在較大位移。輻射室排管靠近入口處彎曲變形大，變形從入口排管向兩邊排管遞減。輻射室排管180°彎管是通過吊架固定，可判定爐內(nèi)間歇性異響來源于輻射室彎管與吊架的碰撞與摩擦。后續(xù)停工進(jìn)爐檢查，發(fā)現(xiàn)輻射室排管磨損程度從入口排管彎頭處向兩邊排管彎頭處遞減，與輻射室諧響應(yīng)分析結(jié)果一致。故加熱爐爐管振動主要是由壓縮機(jī)往復(fù)脈沖激勵頻率所致，并存在工質(zhì)流態(tài)變化導(dǎo)致的強(qiáng)迫振動。

圖3 加熱爐排管諧響應(yīng)振動結(jié)果云圖

圖4 加熱爐輻射室入口爐管諧響應(yīng)振動結(jié)果云圖

4 結(jié)論

（1）加熱爐爐管工質(zhì)為氫油比大于900的氣液混合物，在流經(jīng)彎頭等結(jié)構(gòu)時(shí)工質(zhì)流態(tài)產(chǎn)生變化，容易引起管道振動。加熱爐的加熱過程加劇了這種不規(guī)則流動，導(dǎo)致管道發(fā)生振動。

（2）加熱爐爐管受到的約束較小，整體結(jié)構(gòu)柔性非常大，受到激勵時(shí)容易發(fā)生低階共振，還存在瞬態(tài)激勵引起的自由振動。

（3）利用 ANSYS Workbench軟件建立管道模型，得到的管道振動諧響應(yīng)分析結(jié)果與停工后進(jìn)爐檢測結(jié)果相符。

（4）加熱爐爐管異響來源于管道振動與支撐件的摩擦和碰撞。根據(jù)測試與仿真分析結(jié)果，加熱爐爐管振動主要為壓縮機(jī)往復(fù)脈沖激勵頻率所致的強(qiáng)迫振動以及工質(zhì)流態(tài)變化導(dǎo)致的強(qiáng)迫振動，這2種強(qiáng)迫振動有耦合關(guān)系。