管道振动 | 泵系统脉动与振动分析
往复泵在运行过程中，活塞或柱塞的周期性运动会产生压力脉动，导致管道发生振动，剧烈振动会引起管道疲劳失效、设备损坏、仪表失真等问题，严重威胁安全生产和人员健康。因此，对往复泵相连的管道系统进行脉动及振动研究，具有重要工程意义。本文以某TEG再生系统案例为例，根据API674标准在前期设计阶段对泵所引起的管线脉动和振动进行分析和研究，指导管道系统的设计。理论分析方法往复泵产生的流体脉动所引起的压力脉动，会以声速在管道系统中进行传播。脉动产生于往复泵的不同转速及其倍频处。特定的倍频可能产生比其他倍频更高的激励，这依赖于气缸的数量、单向或双向作用以及气缸相位。
压力脉动出现在控制阀、一端封闭的支管、变径管等几何不连续处，时变压力经离散傅里叶变换可得对应频谱，通过它能够得到每个谐波的脉动幅值。管道系统中波的反射及相互作用决定系统的声学固有频率。在由支管或平行管组成的复杂管道系统中，理论固有频率的计算并不简单，通常需要使用成熟的仿真软件进行。
根据以往的标准，若泵系统的压力脉动在标准限制以下，则认为设计是合理的，反之则认为该泵系统的设计不合理，需要重新优化改善。此种方法具有一定局限性，且经济性较差。单一的脉动结果不足以判断泵系统的设计是否合理，需要根据管道摆动力的结果进行综合评估。理论分析方法技术路线如下图1所示，管道布置图如图2所示。
图1 技术路线图图2 管道系统
最大许用脉动水平
单个脉动频率分量的最大许用脉动峰-峰水平计算公式如下：
最小许用脉动水平(泵入口处)
泵入口基准点处吸入压力的最小值应不低于液体蒸气压，其裕度为10％，计算公式如下：
限压阀保护
设置限压阀时，脉动复合波正峰值之间的分离裕度应在最大规定排放压力的一定分离裕度之内。
管道摆动力
当脉动峰-峰值超过API限值，建议使用管道摆动力作为二次判据。
不同的支架类型对应的支撑刚度不同，一般有以下支架对应的刚度经验数据：
· 无支撑定位高架
· 地面典型支架和夹具
· 地面重型支架和夹具
图3 振动指标
根据经验，提出脉动峰-峰值和管道摆动力结合的计算分析方法。倘若某一泵系统脉动峰-峰值超标，但管道摆动力符合要求，则认为该泵系统的设计是合理的。通过该方法可以对泵系统进行综合地校核评估，在保证安全可靠的前提下，提高泵系统的经济性。
脉动与振动分析接下来，建立泵系统的有限元模型进行详细的脉动与振动分析。此模型包含往复泵，脉动阻尼器（如果有的话）及吸入和排出入口和出口侧直到合适的声学终止点的管道（例如：直到化工罐和注入点），包括声学特性所需的所有分支。建模完成后，对泵系统的脉动和振动进行分析。
图4 TEG再生系统
P2310A入口侧，额定工况
所有谐波 (H1-H15) 的最大脉动峰-峰值如图4所示。结果表明，在入口附近可以预测到最大脉动水平。
图5 最大脉动峰-峰值（P-2310A 入口侧）
管道脉动峰-峰值和API674最大限值的对比如图5所示。其中X轴为频率，Y轴为脉动峰-峰值。
图6 管道最大脉动值和API674限值对比（P-2310A入口侧）
在关注的频率范围未发现声共振现象。在管道系统中，所有部位的脉动峰-峰值均低于API674限值。正因为正确选择了阻尼器的尺寸，所以有效地过滤了管路系统内的脉动。因此，认为该系统是可接受的。
P-2310A出口侧，最大工况
所有谐波 (H1-H15) 的最大脉动峰-峰值如图6所示。预测结果表明，最大脉动水平出现在泵入口附近管路内。
图7 最大脉动峰-峰值（P-2310A出口侧）
管道脉动峰-峰值和API674最大限值的对比如图7所示。X轴为频率，Y轴为脉动峰-峰值。
图8 最大脉动值和API674限值对比（P-2310A出口侧）
在25.4Hz(H6) 处有尖峰，此处发现声共振现象。在发现共振现象的局部管道上，脉动峰-峰值均高于API674的限值。
当脉动峰-峰值超过API674的限值，建议根据API618中的要求使用摆动力作为二次判据。对本案例而言，尽管脉动峰-峰值超过了API674的限值，假设支座柔度很大（无支撑定位高架），脉动最大摆动力仍远低于API618的限值。
图9 最大摆动力
表1 摆动力因此，认为该系统是可接受的。
出口侧也包括安全阀，当系统内的压力达到安全阀设定值时，安全阀将输出工质。安全阀设定建议值如下表2所示。
表2 安全阀建议设定值
相关结论
· 泵入口侧：管道系统的脉动峰-峰值低于API限值。所有入口侧的最小压力均高于许用限值。系统阻尼器的尺寸合适，过滤脉动的效率高。总体而言，可以接受入口侧的设计。
· 出口侧：在案例中，P-2310A出口侧的管道系统出现声学共振，导致脉动峰-峰值超过API限值。然而计算得到的摇摆力却远低于限值，因此认为系统是可接受的。
· 建议：确保脉动产生的最大压力与的安全阀设置值之间有良好的分离裕度。
机械评估 为了良好地控制系统的振动，须避免脉动的激励频率与机械系统固有频率重合。对这种三缸单作用柱塞泵，最高脉动幅值通常发生在泵转速的三次 (H3) 谐波处。
当管道系统的固有频率低到足以和泵的脉动激励频率重合时，通常会出现往复泵管道系统的共振问题。脉动最高幅值往往出现在柱塞泵一阶基频处：
幅值最高的谐波=(柱塞数) * rpm/60
根据实际现场的设备及管道的布置形式，常用的管道支撑类型如下表所示。
表3 跨距支撑类型为避免共振，根据不同管道尺寸对应的不同支撑类型，建议选择的最大允许跨距如表4所示。建议根据最大允许管道跨距对当前支撑的跨距进行调整。此建议值同时也考虑了API674中幅值最高激励频率上下20%的裕度。
表4 最大允许跨距为了适应管道系统的热膨胀，通常需要各种类型的支架/约束（例如导轨、弹簧、吊架，或简单的重量支撑） 。但是这些类型的管夹提供的振动控制效果较弱，除非另有必要，否则应避免使用此类管夹。重要的是，所有管夹都要连接到一个刚度够大的结构上，以加强管夹本身的刚度。所有地面管夹都应安装在一个尺寸良好的混凝土桥墩或其他刚性基础上。
同时，所有管夹都应内装织物垫（如Fabreeka或其他相同材料），此种织物垫改进了管夹与管道的接触，起到很好的阻尼效果。
在机组初始运行期间，建议仔细监测整个管道系统，识别是否存在潜在的振动。如果简单配重的支架无法控制振动，则可能需要在这些位置添加新的支架。
即使某些区域的跨度比许用跨度大，但由于摆动力远低于限值，当前的管道支架设计仍在可接受范畴内。
总 结往复泵在运行过程中，活塞或柱塞的周期性运动会产生压力脉动，导致管道发生振动，剧烈振动会引起管道疲劳失效、设备损坏、仪表失真等问题，严重威胁安全生产和人员健康。因此，对往复泵相连的管道系统整体进行脉动及振动研究，具有重要工程意义。
本文对泵和管道系统进行联合分析，将泵本体和管道结合起来进行分析，在保证现场安全性的前提下，提高了系统的设计经济性，为类似设备前期设计提供了相关参考。
来源：管道振动技术微信公众号（ID：gh_f2e666e7a20b），作者：懿朵科技。
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