柱塞式計量泵出口管道振動大原因分析及改進(jìn)

王海蘭，王雁玉，姚燕平

（國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司南寧輸油氣分公司，廣西南寧 530022）

0 引言

管道振動問題是石油、化工行業(yè)長期存在的一種常見現(xiàn)象，在泵機(jī)組的轉(zhuǎn)動和流動介質(zhì)中，機(jī)械振動不可避免。長期的管道振動會嚴(yán)重影響管道上的閥門、管件的松動損壞，甚至引發(fā)連接的設(shè)備振動和損壞[1-3]。直接影響管道及其設(shè)備的安全運行和操作人員的人身安全。

管道振動直接反映了與其連接設(shè)備的性能及運行情況，研究表明，引發(fā)管道振動的因素是多方面的，究其原因在于機(jī)組的操作、安裝、設(shè)計及現(xiàn)場運行等方面。以某成品油站場柱塞式計量泵出口管道振動大為例，分析管道振動過大的原因，并據(jù)此提出改進(jìn)措施。

1 事件概述

某成品油站場主要輸送0#柴油和92#汽油，站場摻混系統(tǒng)配套兩臺國產(chǎn)柱塞式計量泵，此站場產(chǎn)生的混油只能實現(xiàn)在線回?fù)?，兩臺計量泵采用一用一備的運行模式，切換方式為手動。計量泵及配套進(jìn)出口管道基本信息見表1。

表1 2 臺計量泵及配套管路基本信息

2020 年7 月，在進(jìn)行混油切割時，站場人員發(fā)現(xiàn)計量泵出口管道振動較大，呈上下振動。為調(diào)整現(xiàn)場振動情況，站場人員先后采取調(diào)整摻混比例、摻混量、切換至另外一臺計量泵、同時啟動兩臺計量泵進(jìn)行摻混作業(yè)等多種措施，仍出現(xiàn)泵出口管道振動過大現(xiàn)象?，F(xiàn)場單臺摻混泵排量2000 L/h，但運行過程中，因振動原因，實際摻混流量單臺泵最大只能達(dá)到1000 L/h。原有現(xiàn)場摻混工藝流程如圖1所示。

圖1 原有摻混工藝流程

2 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及測試，將計量泵進(jìn)出口管線拆除，單獨啟泵，技術(shù)人員使用VC63 便攜式數(shù)字測振儀對兩臺計量泵本體振動值進(jìn)行測量，振動速度在0.7 mm/s 左右，振動值較小。而連接管線后啟泵測試，泵出口管道呈上下振動，振動速度高達(dá)45 mm/s 左右，超過允許振動速度15 mm/s。根據(jù)測試結(jié)果，排除計量泵本體振動大因素。分析造成計量泵出口管道振動較大的原因主要有以下兩個方面：

2.1 泵出口管道管徑小

現(xiàn)場泵配套出口管道管徑為Φ27×3 mm，管徑較小。經(jīng)分析，泵出口管徑小時會導(dǎo)致泵排出沖程中出現(xiàn)過大的壓力損失。且同等流量下，管徑越小，管道端口接收到的速度激發(fā)就越大，流速就越大，而管道內(nèi)流體流速過快會產(chǎn)生湍流邊界層分離形成渦流，引起管道振動[4]。

2.2 系統(tǒng)沖擊

現(xiàn)場調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，計量泵出口直接連接單向閥，管線上未設(shè)置脈動緩沖器和背壓閥，現(xiàn)場進(jìn)行摻混作業(yè)時，流量脈動無設(shè)備設(shè)施進(jìn)行緩沖，導(dǎo)致介質(zhì)流量脈動較大，對出口管道系統(tǒng)造成大的沖擊，使泵出口管道產(chǎn)生較大振動。

3 改進(jìn)措施

針對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的情況，提出并實施以下改進(jìn)措施：

（1）增大泵配套出口管道管徑。在管道管材和走管方式不變的情況下，適當(dāng)增大泵出口管道管徑，從而使管道的橫截面積加大，管路的橫截面面積增大可以減小管路的應(yīng)力[5]，從而減小管道的壓力脈動，使之不產(chǎn)生諧振。根據(jù)輸油管道工程設(shè)計規(guī)范中，輸油管道管壁厚度計算及管道附件的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算：

式中 δ——直管段鋼管計算壁厚，mm

P——設(shè)計內(nèi)壓力，MPa

D——鋼管外直徑，mm

[σ]——鋼管許用應(yīng)力，MPa

據(jù)現(xiàn)場實際計算后，將出口管道管徑增大為Φ60×3.5 mm。新采購的管材應(yīng)注意內(nèi)表面應(yīng)光滑平整，無龜裂、分層、針孔、雜質(zhì)、貧膠區(qū)及氣泡，管端面應(yīng)平齊、無毛刺，管外表面無明顯缺陷。

（2）在泵出口設(shè)置脈動阻尼器。從計量泵出來的脈動流體先進(jìn)入脈動阻尼器，阻尼器可起到穩(wěn)定管道流體壓力和流量的作用，對流量脈動造成的系統(tǒng)沖擊進(jìn)行削減，以減緩管路振動，降低噪聲，提高管路的安全性[6]。

（3）在出口管道單向閥前設(shè)置背壓閥。在管道壓力不穩(wěn)定的情況下，背壓閥可以保持管道需要的壓力，使計量泵輸出正常的流量。同時背壓閥配合脈動阻尼器使用，可以減小水錘對管道系統(tǒng)造成的危害，保護(hù)管道系統(tǒng)不受壓力波動帶來的沖擊。

現(xiàn)場改進(jìn)完成后，對站場摻混工藝進(jìn)行啟動測試，計量泵出口管道振動較小，振動速度為1.2 mm/s 左右。改進(jìn)后的現(xiàn)場工藝流程如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后摻混工藝流程

4 改進(jìn)注意事項

（1）改造施工前，要進(jìn)行施工組織設(shè)計，嚴(yán)格按照管理規(guī)定和施工組織設(shè)計進(jìn)行施工，同時施工前應(yīng)進(jìn)行施工安全措施交底、進(jìn)行安全教育，意外事項防范和安全撤離教育等。

（2）管道焊接前需進(jìn)行焊接工藝評定，施工嚴(yán)格遵照焊接工藝評定參數(shù)執(zhí)行。管道焊接應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在以下環(huán)境下，如果不采取有效的防護(hù)措施，不得進(jìn)行焊接：雨天或雪天；風(fēng)速超過8 m/s；大氣相對濕度超過80%。

（3）管道焊接后的焊縫進(jìn)行100%外觀檢查，外觀檢查合格后進(jìn)行100%超聲波檢測和100%射線檢測，超聲波檢查II 級合格，射線檢測II 級合格。

（4）管道焊口防腐與原管道防腐方式保持一致，一般采用環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+氟碳面漆進(jìn)行防腐。

改進(jìn)后的現(xiàn)場布置如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)后現(xiàn)場布置

5 結(jié)束語

管道振動是石油石化場站常見問題，需要根據(jù)現(xiàn)場實際問題進(jìn)行具體分析。對柱塞式計量泵出口管道振動大工程案例進(jìn)行分析，確定泵出口管道管徑小、系統(tǒng)沖擊大是造成管道振動過大的主要原因。通過改進(jìn)泵出口管道管徑、增加脈動阻尼器和背壓閥等有效措施，提高了計量泵出口管道運行的穩(wěn)定性和可靠性。