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    全密度聚乙烯排料管線振動(dòng)原因分析及減振改造

    2020-03-03 13:10:36姜永亮
    設(shè)備管理與維修 2020年4期
    關(guān)鍵詞:排料管段振型

    姜永亮

    (大慶石化公司塑料廠,黑龍江大慶 163714)

    0 引言

    某化工廠全密度聚乙烯裝置有兩條排料管線,用于輸送聚乙烯粉末至脫氣倉(cāng),為間歇式氣動(dòng)輸料,正常情況下兩條排料管線交替工作。該管線2012 年8 月建成投入使用,自投用以來管線振動(dòng)大,并多次出現(xiàn)管件振裂損壞情況,已經(jīng)無法滿足裝置大負(fù)荷、長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)要求。

    1 排料管線運(yùn)行情況

    排料管線內(nèi)輸送的主要介質(zhì)為聚乙烯粉末、乙烯、氮?dú)饣旌衔铮芏葹?.91~0.96 g/cm3。排料管線開始排料時(shí)壓力為823 kPa,排料結(jié)束時(shí)為28.5 kPa。管線材質(zhì)為20#鋼,管線由直徑273 mm、壁厚9.5 mm 和直徑219 mm、壁厚9.8 mm 兩種規(guī)格管段組成,各管段間采用法蘭連接。

    2 對(duì)管線進(jìn)行ANSYS 分析

    通過ANSYS 分析軟件,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)繪制管線單線圖并且根據(jù)單線圖建立分析模型,采用的單元為PIPE16,其中X 軸方向?yàn)闁|偏南方向,Y 軸方向?yàn)榇怪狈较?,Z 軸為西偏南方向,模型的基本長(zhǎng)度單位與圖紙相對(duì)應(yīng)為mm。同時(shí)為了方便分析和說明引起振動(dòng)的原因及振型,按照管線各部分布置特點(diǎn),將管劃分為A、B、C、D、E 五個(gè)管段進(jìn)行分析說明(圖1)。管線出口至垂直方向第一個(gè)彎頭的水平管段為A 段,A 段與C 段間垂直管段為B 段,B 段后方水平直管段為C 段,C 段后方靠近進(jìn)口垂直管段為D 段,D 段后方水平管段為E 段。

    通過振型分析(表1)和ANSYS 軟件計(jì)算分析得到以下結(jié)論。

    (1)E 段的振型以15 階振型為主,振動(dòng)頻率為24.8 Hz,該段高階能量相對(duì)小,振動(dòng)較小。管段進(jìn)口彎管處設(shè)置限制水平方向自由度的彈簧阻尼,管段兩端設(shè)置限制垂直方向自由度的彈簧支座,起到了很好的減振作用。該管段雖然壓力最高、物料流動(dòng)速度最快,但是由于合理的減振措施,振動(dòng)不明顯?,F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況與分析結(jié)果基本一致。

    圖1 管線模型

    (2)A 段的振型以14 階振型為主,振動(dòng)頻率為21.7 Hz。該管段物料壓力低流動(dòng)速度慢,物料對(duì)管線的沖擊較小,振動(dòng)較小,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況驗(yàn)證了分析結(jié)論。

    (3)5 階、7 階、10 階振型為B 管段的主要振型,振動(dòng)頻率分別為9.4 Hz、9.4 Hz、14 Hz。B 管段是整條管線最長(zhǎng)垂直管段,管段雖然布置有支座,但是支座間距大且都是滑動(dòng)支座,只對(duì)管線水平方向自由度有部分限制作用,所以B 管段的振動(dòng)比A、E兩管段振動(dòng)大。

    (4)C、D 兩管段主要振型為2階、3 階、4 階、9 階、13 階振型,振動(dòng)頻率為3.2 Hz、4.6 Hz、9 Hz、11.8 Hz、20.9 Hz。這兩個(gè)管段的共同特點(diǎn)是沒有支座和阻尼等減振措施,接近管線入口處物料壓力高和流速快,物料經(jīng)過彎管處流動(dòng)方向改變對(duì)管線沖擊大,沒有有效的減振措施起到減振作用,所以振動(dòng)明顯。

    表1 模態(tài)分析前15 階固有頻率統(tǒng)計(jì)

    3 管線振動(dòng)原因分析

    通過便攜式速度傳感器對(duì)管線送料時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,主要測(cè)試運(yùn)行時(shí)管線振動(dòng)情況。由于B 管段位置特殊不具備測(cè)量條件,所以選取A、C、D、E 管段法蘭為測(cè)量點(diǎn)。排料過程如下:排料罐下方排料閥打開后開始排料;當(dāng)排料管壓力下降到設(shè)定壓力后,排料罐沖壓閥門打開開始沖壓到設(shè)定壓力后關(guān)閉;重復(fù)以上過程至排料完畢。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè),在管線輸送物料過程中,當(dāng)排料閥打開后管線的振動(dòng)先增大然后逐步減小至靜止。當(dāng)閥門打開后管線的壓力增大同時(shí)管線振動(dòng)增大,當(dāng)閥門關(guān)閉后管線振動(dòng)逐漸減小。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、振幅(圖2)及頻譜(圖3),分析得出以下結(jié)論:管線在整個(gè)排料過程中在激振力的影響下作受迫振動(dòng)。當(dāng)管線內(nèi)壓力升高時(shí)受沖擊力增大,振動(dòng)增大;當(dāng)閥門關(guān)閉后排料結(jié)束,管線自下而上做自由衰減運(yùn)動(dòng)。管線振動(dòng)的根本原因是:①輸送物料過程中,由于間歇式輸送物料管線內(nèi)壓力及介質(zhì)密度周期性大幅度變化,引起管線自由振動(dòng);②物料在輸送過程中對(duì)各彎管產(chǎn)生各方向沖擊引起的管線自由振動(dòng)及振動(dòng)疊加。

    4 管線減振措施

    根據(jù)以上對(duì)管線振動(dòng)原因的分析,得出管線的振動(dòng)原因是物料沖擊引起的自由振動(dòng)和自由衰減振動(dòng),需從降低振幅入手,達(dá)到減振目的。

    圖2 管線送料時(shí)振幅

    (1)減小激振力,即降低輸送物料時(shí)管內(nèi)壓力變化,由于管線的操作工藝無法改變,因此減小氣體壓力變化的做法無法實(shí)施。

    圖3 管線送料時(shí)振動(dòng)頻譜

    (2)增加管線固定支撐,有效吸收振動(dòng)能量,達(dá)到減小管線振動(dòng)的目的。

    針對(duì)管線各段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及振動(dòng)原因做以下減振措施。

    (1)在每條排料管線地面段水平處設(shè)置能夠支承和約束管線橫向、軸向、垂直方向位移且具有調(diào)節(jié)功能的支座,確保排料口管道與設(shè)備之間保持良好一致的剛度,將大幅振動(dòng)部位遷移出法蘭密集區(qū)域。

    (2)將原有滑動(dòng)支架改為彈性阻尼膠墩,約束管線各方向自由度。

    5 結(jié)語

    用ANSYS 軟件及測(cè)量?jī)x器對(duì)某化工廠全密度聚乙烯裝置排料管線進(jìn)行了ANSYS 分析及測(cè)量,得到了管線各段固有頻率和主要振型,為振動(dòng)原因分析提供了理論依據(jù)。針對(duì)振動(dòng)原因,對(duì)兩條排料管線進(jìn)行了減振改造,對(duì)低階頻率振幅較大處增加了新型式支撐,新增加的支撐有效降低了振幅,自改造至今未再出現(xiàn)過管件振裂損壞情況,為該裝置的安全生產(chǎn)提供了良好的保障。

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