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

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 -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 -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DN100，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% ～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［1］。

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30mm，柱塞直径85mm，限于转速不易太高，三泵头无法满足项目工艺流量要求;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P203 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［5］。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，不受空间位置的影响，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。吸入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，保持吸入压力稳定。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入缓冲罐。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:［1］

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;Prs为泵出口管路的总阻力损失(不包括加速度头)，MPa;Pgas为缓冲罐充气压力，一般为泵出口压力的60%，MPa;δQ为工艺要求的允许残余流量不均匀系数(即残余脉冲);φ 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):泵入口总管上设置了一台1m3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响

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5 ～7min 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［2］。

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:

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。

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［4］。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。

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，2011:94-95、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，2009，6:77 -81.

3 张红娟. 往复泵管道振动分析及改造措施［J］. 化工设计，2000，10 (4):12 -15.

4 API 674 -2010，固定排量泵—往复泵［S］:40 -43，66-69.