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    柱塞泵输送固液两相流管道的减振对策.pdf

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    柱塞泵输送固液两相流管道的减振对策.pdf

    26 CHEⅣⅡCAL ENGINEERING DESIGN 柱塞泵输送固液两相流管道的减振对策 梁亚栋 肖敦峰贾自强中国五环工程有限公司武汉430223 摘要 分析引起柱塞泵管路振动原因,结合柱塞泵运行原理,通过增大缓冲罐的体积和柱塞泵气缸数 量,加装防振管托,解决了柱塞泵运行连接管系振动。 关键词 柱塞泵缓冲罐振动多缸对策 柱塞泵借助缸体中的容积周期性变化工作, 其出口液体流量是脉动的,引起泵管路液流的压 力脉动。当排出压力的变化频率与排出管路的固 有振动频率相等或成倍数时,会引起管道系统的 共振;同时造成泵的电动机负荷不均,出现容积 效率降低、功率消耗增加、气阀工况变化,直接 缩短泵的使用寿命。与此同时管道系统的共振会 导致管道和管架的疲劳破坏,诱发建筑物振动、 噪音及管道与附件松动,引发重大安全事故。因 此,柱塞泵及管道振动一直被相关人员所关注。 本文通过对某1,4一丁二醇装置低压加氢给 料泵管路振动原因分析,找出泵体和泵出口管道 振动的主要原因,提出整改意见。 1管路振动原因分析 1,4一丁二醇装置在试车过程中,低压加氢给 料泵出口管道振动剧烈,整个管系形成脉冲式振 动,泵流量加大时,管架和管托振动加剧,噪声 增大,影响正常的运行。 该柱塞泵为本工艺装置重要工序低压加氢反 应器给料泵,在整个装置的生产过程中起到承上 启下的作用,因此解决该管路的振动问题显得尤 为重要。泵进口管为DNIO0,出口管为DN50,泵 的这一配管思路,会造成缩颈而引起管道流体波 动较大。但根据工艺要求,该管道中的流体中含 有固体催化剂颗粒主要成分丁炔二醇雷内 镍水,若将管道口径改大,则管道中介质的流 速会降低,固体颗粒会沉积,影响柱塞泵的正常 使用。 通过查找相关资料和总结,影响柱塞泵及连 接管路振动的原因①由于柱塞泵柱塞缸数设置 不合适,泵进出口管内流体脉冲偏大;②脉动控 制设备规格设置不合理;③出口管路三通、弯头、 阀门多,管架设计不合理;④泵的布置与出口容 器太远;⑤泵与管架产生共振。 1.1柱塞泵缸数的影响 柱塞泵靠柱塞的往复运动,使缸体中的容积 产生周期变化,使得进排液阀交替打开与闭合, 从而完成吸液和排液。因此柱塞泵流体的流动是 周期性的、脉动的,没有离心泵平稳。 柱塞泵缸数越多,各个缸流量曲线的波峰和 波谷相互补充的越充分,流量越均匀。理论上如 果缸数无限多,则出口流体可看做是稳定流体。 受结构复杂程度、制造、维护难度、曲轴长度及 刚性、机组振动等各种因素影响,缸数一般不超 过8个,多为6缸以内。 由于柱塞泵的结构特点,压力脉动始终存在, 因此柱塞泵管道在允许范围内存在某种程度的振 动,但关键是要避免该系统发生剧烈振动导致管 道疲劳破坏。 根据泵厂家提供的数据,一期工程单缸单作 用的P203泵流量不均匀系数分别为最大不均匀 系数为214%一220%;最小不均匀系数约为 100%。通过以上数据可以得出,不均匀度偏大, 是造成泵出口管道振动的主要原因之一。 通常柱塞泵的数量为奇数时流量脉动比偶数 时小,而有时选择奇数困难。国内某知名泵厂最 大能力的柱塞泵为行程30ram,柱塞直径85l/Ira, 限于转速不易太高,三泵头无法满足项目工艺流 粱亚栋工程师,注册化工工程师。2005年毕业于郑州大学化工学院化学工程与工艺专业。从 石油化工管道设计工作。联系电 话02781926259,E-mailliangyadongCWCeC.corn。 梁亚栋等柱塞泵输送固液两相流管道的减振对策 27 量要求;进口的泵可以做到三泵头,但价格较高。 三泵头以上,虽然偶数泵头脉动比奇数泵头大一 些,但绝对值在可接受范围内,再加上出口缓冲 罐,能满足工艺对波动的要求。基于上述分析, 项目二期工程设计中,通过工艺计算和成本核算 对比,将1203选用四冲程泵,由于其自身的脉冲 系数很小,经过缓冲罐后,二期工程P203泵的残 余不均匀系数即残余脉冲小于2%。 1.2脉动控制设备的影响 脉动控制设备通过降低柱塞泵进出口管道系 统的波动,使管系输出接近平稳。常见的脉动控 制设备缓冲罐、阻尼器、蓄能器、减振器、防 止器、液压隔离器、抑止器、减弱器、稳定器 等 J。缓冲罐分为常压式和预压式两种。①常压 缓冲罐是在密闭容器中充常压空气;②预压缓冲 罐是在密闭容器中加一弹性原件如橡胶囊,其 内充有惰性气体。预压缓冲罐具有结构简单、安 装、拆卸方便,清洗方便、结构较小,不受空问 位置的影响,成本低,收益高等特点,因此被广 泛采用。常见的预压缓冲罐有直接接触式缓冲罐、 隔膜式预压缓冲罐等。本项目中使用的缓冲罐为 隔膜式预压缓冲罐,由三部分组成充气胶囊、 器体和连接结构,其中充气胶囊是主要的工作 部分。 柱塞泵进出口增设缓冲罐是利用气体可压缩 和膨胀的特点,交替的储存或释放比均匀流量多 或少的一部分液体,从而达到减少管路中流量和 压力脉动的目的。吸人缓冲罐的作用是减少吸入 管路流量不均匀度,减少惯性损失,保持吸人压 力稳定。隔膜式缓冲罐用于进口时,其预充气压 力应考虑到输送介质的汽化压力。一般由制造厂 决定是否需要安装吸人缓冲罐。排出缓冲罐的作 用是减小排出管路流量不均匀度,减少流量脉动, 排出缓冲罐的容积可按下式计算 110 8口P P d 、 式中,D为柱塞或活塞直径,m;L为柱塞或活塞 行程长度,m;Pd为泵出口压力,MPa;P 为泵出 口管路的总阻力损失不包括加速度头,MPa; P 为缓冲罐充气压力,一般为泵出口压力的 60%,MPa;8Q为工艺要求的允许残余流量不均匀 系数即残余脉冲;‘p为脉动系数,单缸泵取 1.1,双缸泵取0.42,三缸泵取0.05。 对于一期工程P203泵单缸单作用泵人 口总管上设置了一台1m 的缓冲罐,所以进口不均 匀应能满足要求。泵出口设置缓冲罐容积为3L。 进出口缓冲罐的容积是根据厂家提供的数据和计 算并结合工程实际情况来确定的。 1.3泵出口管线管件阀门的影响 本项目泵出口管线设置的管件和阀门偏多。 液体在管内流动时,由于液体内部、液体和管壁 之间都有摩擦存在,特别是液体经过三通、弯头、 阀门及突然变化的截面处时,由于流速的大小或 方向发生了急剧变化,或因流速变化造成的压降 引起了介质的汽化而产生“汽蚀现象”,都会产生 噪声并引起振动。 1.4泵与出口容器布置的影晌 泵与泵出口容器之间的相对位置,也是引起 管系振动的原因之一。若泵与所连接容器的距离 偏远,与之连接的管线就偏长,不可避免增加了 相应的管件,增加了管内流体的变化,从而有可 能引起整个管系的振动。 建议泵靠近出口容器布置,减少泵出口管线 的管件数量。如果泵进口容器距离泵较远,在泵 进口处再设置一个中间缓冲罐缓冲罐容积根据 泵流量确定,一般取57min的缓冲时间即可。 1.5泵与管系产生共振 造成柱塞泵管道系统振动的主要原因有两类 ①回转机械旋转部分不平衡产生的振动;②回转 机械旋转部分不平衡产生的振动传递给与之相连 接的管线,当回转机械的振动频率与连接管系的 固有频率相近时引起的管道共振。 回转机械旋转部分的不平衡是机械振动的主 要原因,往复运动的机械由活塞惯性力和转矩的 不平衡产生振动,这种振动的频率虽然不会与机 械振动的频率相同,有时却是后一频率的数倍。 管道机械共振由管道、管件和支架组成的管 系是一个弹性系统。根据管道布置、支架形式、 位置及边界条件的不同,有其固有振动频率。当 管内流体压力产生脉动时,脉动流体在弯头、异 径管、阀门等管件处易产生激振力。管路管件越 多,管道振动就越强烈 』。 28 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 本管系的固有频率计算,可用CAESAR II应 力计算软件进行,得到应力计算报告。 本项目泵本体的振动频率计算方法如下 ,1n nt 式中,f为泵频率;n为往复一次的周期;t为单位 时间,min;a为单位时间往复的次数。 t 60 丽 口 lyL, ,i1 -3.17 通过计算可知泵本体的振动频率很低,连接 泵体的管系振动频率比较高,要避开管系的振动 频率为泵本体振动频率的整数倍,避免产生共振。 2设计采用的控制振动的方法 对于本次改造,结合对原有管道共振特点的 分析,提出整改方案管道的结构振动与管道支 撑有很大关系,支架的位置及型式在设计时经过 CAESAR II应力软件分析来确定。要求施工单位严 格按照设计来施工。低压加氢给料泵P203已 经全部就位,考虑到现场操作的工况、配管空间 等因素,在泵出口处,在原有的缓冲罐的基础上 再增加一台更大容积的缓冲罐,目前运行良好。 3 结语 柱塞泵产生的动态流动和管道系统中的音响 共振的相互作用可以造成泵和管道中的压力脉动、 汽蚀、过度振动和损坏。管道系统的脉动特性是 根据泵系统布置的复杂性、泵台数、运行速度、液 体性质和其它因素而决定的 。因此,应该在设 计阶段引起足够重视。对于新建项目,为了避免 由于设计不当引起柱塞泵和相应管路系统的振动, 应从以下几个方面考虑 1在设计初期,根据工艺专业所提的工艺 条件,对柱塞泵的脉冲影响进行核算,确定选用 单缸泵还是多缸泵,通常柱塞为奇数时流量脉动 比偶数时小。柱塞泵的选择既要满足工艺要求, 又要经济合理,振动最小。 2泵的进出口设置适当容量的缓冲罐也是 解决泵出口管道振动的手段之一。建议关注进出 口脉动控制设备尺寸规格的选择,请厂家准确计 算并提供计算依据,并留有足够的余量,确保尽 量消除泵及管线的震动。 3在满足工艺条件的情况下,尽量减少管 件,使用直通式阀门,减少由于管件太多,管内 流体剧烈变化引起的噪音和振动。 4对于压力比较高,流量较大的柱塞泵进 出口管线,需要进行应力计算,确保管线的支架 设置合理,避免柱塞泵的流量不均匀造成的脉动 与进出管路的自振频率相等或成整数倍,引起 共振。 参考文献 1全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会编著.工业 泵选用手册第二版[M].化学工业出版社,201194 95、106. 2叶少宁等.缓冲罐在往复泵长距离输送管道减振中的应用 [J].新疆石油天然气,2009,67781. 3张红娟.往复泵管道振动分析及改造措施[J].化工设 计,2000,1041215. 4 API 6742010,固定排量泵一往复泵[S]4O一43,66 69. 修改回稿20140918 上接第21页 6衬里管道的坡度,要在ISO图中标注出 实际现场情况,在管道设计的时候考虑周全仔细, 起始点的标高,垂直管段的长度做出相应的加减。 项目设计的成品文件如ISO单线图、管道平面布置 制造厂家要严格按照ISO图制造。 图、report综合材料表等准确性就更高。缩短了工 结{五 期,避免了材料浪费,提高了设计质量,使安装 J 耋嗣‘i 施工作能够顺利进行。 衬里管道比普通管道的设计繁琐,在设计时 考虑的问题更多。PDS三维模型能最大程度地接近 修改回稿20140303

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