淺談蒸汽管道振動在線監測系統設計的關鍵點

文/杜云川

本文作者供職于斯派莎克中國有限公司。

管道振動系統在設計時需要注意的關鍵點及應對措施——在設計蒸汽管道的時候，為了避免振動產生疲勞損壞并消除水錘，設計蒸汽管道振動監測系統并解決其關鍵問題。

蒸汽管道的振動一直是業內關注的焦點，振動會產生疲勞損壞，并導致爆管等災難性事故。據估計美國每年因蒸汽管道振動造成的損失超過100億美元，而我國每年類似的事故也層出不窮，造成巨大的人員財產損失。

目前管道振動的識別主要依靠人工巡檢，依賴技術人員的技能，缺乏有效性和及時性。而在線的監測系統比較缺乏，這與智慧化、數字化的發展要求不符合，因此尋找一種在線監測系統的解決方案迫在眉睫。

蒸汽管道振動監測需要解決的關鍵問題

振動識別與評估的計算模型

流體在管道中輸送并高速流動，因此振動是管道中持續存在的現象。從系統啟動到正常運行階段，其表現出的強度差異很大，很難識別并量化出可接受與不可接受的評判標準。對于蒸汽輸送來說，由于來源蒸汽品質以及輸送過程中散熱冷凝產生冷凝水，導致識別和評估計算會更加地復雜和困難。

目前常規的方法是通過人工巡檢并測量記錄，但是測量數據不足且誤差較大，無法反映管道實際振動情況。

振動的安全監測與定位

對于蒸汽管道來說，蒸汽流速快，振動形成的因素復雜多變，尤其是蒸汽帶水的兩相流使得工況進一步復雜。兩相流形成水擊所引發的激振力，其頻率是不可預測的，激振力的大小在工程上也是很難定量或定性描述的，它與操作工況、傳熱及傳質情況、介質流動狀態和管道布置等都有關系。

常規的監測系統主要是基于穩態工況下的壓力、流量等數據采集和監測，采集時間間隔長，而工廠蒸汽系統工況多變，強烈振動或者水錘發生的過程一般都在幾秒或者幾十秒之間，因此導致常規的監測方法無法取得良好的實用效果。

系統關聯因素的識別確認

對于工廠蒸汽系統來說，除了蒸汽管道本身的流動特征之外，引起振動和水錘的因素還有很多，比如跟管道附件相連通的截止閥的開關，減壓閥的節流，疏水閥的泄漏，汽水分離器性能的下降以及支路蒸汽設備負荷的變化等。在監測系統設計之前，需要對整個系統有完善的調研，并充分地識別出這些關聯因素。

系統解決方案

鑒于以上的問題，并結合當前市場上成熟的傳感技術，可以從以下幾方面入手，并形成解決方案。

振動測試與評估

將蒸汽管道的振動分為穩態振動和瞬態振動，并設計不同的監測和評估標準。穩態振動是指系統在正常運行過程中，重復發生的持續性時間較長的振動。瞬態振動是短時間內發生的振動，其總的應力循環次數小于1×106，通常是由關聯系統的工況變化引起的，比如閥門的快速開關及蒸汽負荷的突變等引起的。不同的振動類型采用不同的判斷標準和監測方法。

對于常規的碳鋼蒸汽直管道，可以根據表1來確認振動是否可接受，具體判定數值可以參考表1所示；瞬態振動評估可以參考表2來判斷。

表1 穩態振動評估

表2 瞬態振動評估

傳感器的選擇和安裝

傳感器的選擇需要滿足2個功能需求：一是實現日常運行過程中對振動和水錘的定位，二是要對預防性監測或者預警功能的實現提供必要的數據信號。

加速度傳感器和振動傳感器如圖1所示，是評估和監測管道振動的必要選擇。考慮到蒸汽管道的高溫及低頻振動特性，推薦使用壓電加速傳感器。0～300 Hz的振動頻率可以涵蓋管道振動的所有振動頻率，考慮到監測和定位的準確性，對于蒸汽管道應該選擇0.5～30 Hz，振動位移速度小于2 540 mm/s，振動位移小于254 mm。系統需要安裝噪聲傳感器，以捕捉水錘信號，監測范圍為20～130 dB。

加速度和振動傳感器需要安裝在兩類位置：一是閥門或者設備的開關啟停對管道有影響的閥門，比如開關閥、疏水閥、減壓閥、流量計等等；二是和遠離這些管道附件的長距離管道，對于中低壓熱力管線，按照經驗可以30～50 m布置一組傳感器。噪聲傳感器如圖2所示，可安裝在需要監測區域的中間位置。

為了實現管道振動或者水錘發生的預警功能，需要對一些基本的表征信號，主要可以考慮以下幾個方面。

1.蒸汽管道疏水閥堵塞會引起并加劇管道振動，需要在各個疏水閥前增加溫度傳感器。

2.管道壓力瞬時的波動是蒸汽管道常見的狀態，增加壓力源附近的壓力信號。

3.蒸汽輸送管道流動特性，在壁面安裝電導率傳感器。

4.主管和分支管道的閥門開關信號。

5.蒸汽流量計的蒸汽負荷信號。

6.管路減壓閥和調節閥的運行信號。

7.安全閥排放信號。

該部分傳感器如圖3所示，通常安裝在所需要檢測設備狀態的附近，具體以能夠準備反映閥門或者設備運行狀態的位置為核心原則。

監測管理系統搭建

監測系統的搭建除了將傳感器系統接入之外，更加重要的是將系統的信號關聯組合，給出振動和水錘的監控和預警信息，并促進生產或者操作工藝的優化調整。當所有傳感器信號接入之后，可以通過以下3個步驟進行監測管理系統的搭建：

首先，對管線系統及上下游工藝設備進行排查。將生產步驟和設備操作步驟制成清單，每次進行生產操作時，記錄各個設備及整個系統監測參數的變化，同時人工巡檢現場管道系統，觀察振動異常或者水錘發生點的位置和時間。

然后，進行數據篩選整理。將數據分為兩部分，管道系統正常運行數據及異常數據。通過數據處理，可以整理出系統正常運行時各個參數的常規指標，比如振動速度、振動頻率等，并結合相關法規，給出工廠內的運行管理指標。

最后，實現預警功能該部分的處理可分兩類，第一類是上面第二步中制定的廠內標準，一旦逼近或者超過給出報警信號；第二類是提前預測性，該部分功能的實現主要從系統運行的異常指標中整理并通過相應的數學計算形成危險等級的評估，達到不同的階段在給出預警信號的同時，給出相應的行動建議。

管道振動水錘的治理措施

1.常規的管道振動治理可參考以下工作。

中國進口乳制品的主要銷售市場以沿海省份為主。以2016年為例，中國乳制品進口額在全國排前10位的省(市、自治區)主要有上海、廣東、浙江、北京、天津、福建等。這些省(市、自治區)進口量較多的原因一是其受地理位置和自然資源條件影響，適合放牧區域較少;其二這些區域經濟發展程度較高，人口較為密集，相應的市場需求和購買能力也較為充裕，區域消費能力的不斷提升帶動了乳制品消費的增長。

1）找出激振源并降低或者消除激振力。

2）改變管道系統的約束或者更改管道布局結構，降低管道振動響應。

3）優化關聯系統尤其是閥門的運行方式以降低管系振動。

4）對治理后的管道重新做評估和測評。

2.對于振動明顯且有規律的管道可參考以下工作。

1）觀察管道振動形態，掌握管道主振型。

3）觀測同時段以及同時段之前的上下游工藝操作步驟，并評估系統關聯性。

4）減振方案應綜合考慮管道主振型、管道熱位移、廠房結構的因素，同時需要評估對于管道焊接部位的影響。

5）可能使用的減振措施除了硬件的改善之外，還包括管道及工藝運行操作習慣。

3.對于振動形態比較復雜或者振動劇烈的管道，可參考以下工作。

1）分析管道振動或者水錘原因，如果是由于閥門或者設備的運行方式等原因引起的，應該優先進行改進或者運行優化，以降低或者避開振動。

2）掌握管道的主要振動或者水錘類型，進行振動測試和評估，必要時進行管道模態計算，掌握管道振動特征。

3）減振方案除了綜合考慮這些內容之外，還需要進行管系應力運行的分析，掌握對現有管道的強度影響程度，并進行適應性評估。

4）減振方案實施后應觀察記錄或者測試減振效果，并對減振效果進行評估驗收。

管道振動的發生是隨著壓力、溫度、流量、設備以及天氣等各種因素的影響不斷地變化，企業生產工藝的改變往往也會帶來振動水錘的發生，所以降低管道振動并消除水錘是一項綜合性的工作。

本文簡述了管道振動系統在設計時需要注意的關鍵點，并提出了一些管理和應對措施，希望能夠對企業蒸汽管道系統的運行安全帶來幫助。 ●