柴油加氫裝置兩相流工藝管線振動(dòng)分析及減振控制

蘇建軍

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司榆林煉油廠，陜西 靖邊 718500）

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)實(shí)例，對(duì)可能引起管道振動(dòng)的原因進(jìn)行了分析。通過及時(shí)采取有效措施，使管道振動(dòng)問題得到解決，確保其安全生產(chǎn)。并且對(duì)類似兩相流管系的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)給出了建議，為消除同類裝置的安全隱患，確保裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供參考。

一、兩相流的特性

氣液兩相流應(yīng)從相開始論述，相其實(shí)在物理學(xué)上是物質(zhì)的一種集態(tài)。固體具有固相，液、氣體分別具有液相和氣相。自然界一般存在有三相，即固、液、氣。在流動(dòng)系統(tǒng)中，若有兩相介質(zhì)，就叫作兩相流，多于兩相，則稱作多相流。氣液兩相流就是流動(dòng)系統(tǒng)中存在有氣體和液體兩種相態(tài)。

（一）流型的多變性。流型在研究流體流動(dòng)中具有重要的意義。單相流可分為層流和紊流，但氣液兩相流中，除了各相內(nèi)部的作用外，還存在有相與相之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位置的變化，相對(duì)位置變化會(huì)改變作用的方向和大小，又會(huì)形成新的流型。由于輸流管道一般較長，所以力的分布會(huì)很不均勻，因此在同一條管道中可能存在多種流型。

（二）相間作用力強(qiáng)。氣液兩相流中有非常強(qiáng)烈的相間作用力，很多流型的產(chǎn)生和改變都與其相間作用力有關(guān)。一般來說，流速越大，相間作用力越強(qiáng)越復(fù)雜，流型越不穩(wěn)定。

二、氣液兩相流管道振動(dòng)研究現(xiàn)狀

氣液兩相流管道流固耦合問題因氣液兩相流復(fù)雜性而研究成果甚少。研究氣液兩相流固耦合問題時(shí)通常采用理想的氣液混輸瞬態(tài)流動(dòng)理論模型，理論模型可分為：均相流模型、雙流體模型、漂移流模型、無壓波模型。均相流模型將氣液混合物看成一種均勻介質(zhì)，假設(shè)氣相和液相速度相等，兩相介質(zhì)達(dá)到熱力學(xué)平衡，忽略氣液相間滑脫，認(rèn)為氣液混合均勻和分散相體積濃度低，適用于氣泡流和彌散流。雙流體模型分別對(duì)氣液相分別建立連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，考慮了相間作用，可適用多種流型，主要用于分離流(分層流和環(huán)狀流)，也可用于段塞流。漂移流模型將管線中的兩相流體當(dāng)成一種流體，考慮相間滑移，漂移速度和混合物速度呈線性關(guān)系，建立混合動(dòng)量方程。對(duì)段塞流有很好的適應(yīng)性。無壓波模型消除方程中的聲波現(xiàn)象。但采用以上理論模型建立起來的振動(dòng)理論模型在流型為波狀流層狀流段塞流等流型會(huì)不適用，實(shí)際應(yīng)用效果不好。

對(duì)于兩相流誘發(fā)振動(dòng)問題，現(xiàn)有理論多集中于換熱器中氣液兩相流橫掠管束振動(dòng)研究，包括周期性流動(dòng)沖擊、流體彈性不穩(wěn)定、紊流隨機(jī)激發(fā)及渦街振動(dòng)，而對(duì)內(nèi)流管道振動(dòng)研究相對(duì)甚少。

三、管道振動(dòng)現(xiàn)象

管道從高壓換熱器殼程出口至反應(yīng)加熱爐入口管道。管道內(nèi)介質(zhì)是高溫油氣和氫氣，是典型的氣液兩相流管道。加熱爐為箱式爐，分兩路進(jìn)料，操作溫度為366℃；操作壓力為8.7MPa。在裝置負(fù)荷達(dá)到239t/h 時(shí)(即換劑改造設(shè)計(jì)條件的100%負(fù)荷)，進(jìn)料加熱爐入口管道彎頭部位有明顯振動(dòng)，此時(shí)壓縮機(jī)、進(jìn)料管線及高壓換熱器等負(fù)荷均達(dá)到操作上限。

四、管道振動(dòng)原因

由于氣液兩相流氣相和液相比重相差較大，因此有可能產(chǎn)生管道振動(dòng)。具體從工藝過程、管道支架設(shè)置、設(shè)備檢修幾方面對(duì)振動(dòng)原因進(jìn)行分析。

（一）工藝過程方面。經(jīng)工藝計(jì)算，換劑改造后與原設(shè)計(jì)相比，化學(xué)氫耗由原設(shè)計(jì)的1.58%提高到2.34%，需要的新氫量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))從原來的36000～40000m3/h 提高到50000～56000m3/h，反應(yīng)深度增加，反應(yīng)溫升提高14℃，冷氫量加大，轉(zhuǎn)化率提高，輕油收率尤其是重石腦油收率提高到30%，尾油收率降低至27%。

由于換劑改造后氣體量增加，使高壓換熱器和加熱爐入口壓降增大，流速較高，流量出現(xiàn)波動(dòng)，可能引起局部管道的振動(dòng)。

測(cè)量發(fā)現(xiàn)，循環(huán)氫流量存在波動(dòng)。當(dāng)循環(huán)氫流量波動(dòng)增大時(shí)，管道振動(dòng)的振幅和頻率也隨之增大。

（二）管道支架設(shè)置方面。對(duì)于易產(chǎn)生振動(dòng)的兩相流管道，支架的設(shè)置和選型對(duì)改善管系的振動(dòng)起著重要的作用，因此應(yīng)選用防振支架或采取減振措施。

考慮到裝置開工期間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件，對(duì)管道現(xiàn)有支架設(shè)置情況進(jìn)行了重新核算，并采取以下緩解振動(dòng)措施:

1.在加熱爐入口嘴子處增加限位支架，以避免由于加熱爐爐管支架松動(dòng)、脫落導(dǎo)致的管道振動(dòng)。

裝置檢修后再次開工，在達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，爐入口管道幾乎沒有振動(dòng)，因此可確定，管道振動(dòng)還是由于高壓換熱器殼程結(jié)垢流通面積降低，壓降升高而引起的。

2.將加熱爐入口兩分支管線在膨脹彎處的彈簧吊架改為彈簧支架，以增加管道的摩擦力，并對(duì)支架鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，同時(shí)增加軸向止推支架，以防止由于管道較高帶來的管系不穩(wěn)定。

3.在入口總管恒力彈簧處增加導(dǎo)向擋塊，力爭(zhēng)改變管道振動(dòng)頻率。

實(shí)施上述措施后，只對(duì)管道振動(dòng)起到了一定的緩解作用，現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)情況仍未得到明顯改善。因此，引起管道振動(dòng)的主要原因還沒找到。

五、預(yù)防措施和建議

（一）盡管各種原因都有可能引起管道振動(dòng)，但對(duì)上述情況，主要還是由于高壓換熱器殼程管束結(jié)垢引起的。因此，為避免類似情況的發(fā)生，建議各煉油廠對(duì)加氫裂化裝置關(guān)鍵設(shè)備的檢修維護(hù)問題應(yīng)引起足夠的重視，尤其是高壓換熱器應(yīng)定期進(jìn)行結(jié)垢清洗，做到徹底、干凈，保證清洗效果。并且保證原料阻垢劑的加注量，尤其在開工初期，要保證阻垢劑的加注量達(dá)到正常加注量的兩倍，防止換熱器管束外側(cè)較快出現(xiàn)垢阻層。但要特別注意的是，要嚴(yán)格控制阻垢劑中氯離子含量不能大于50×10-6(50ppm)，金屬含量小于1×10-6(1ppm)。

（二）對(duì)于大口徑螺紋縮緊環(huán)結(jié)構(gòu)的高壓換熱器，管束數(shù)量至少上千根，要想將管束之間的積垢徹底清洗干凈并非易事。因此，在考慮布置管束形式角度時(shí)也應(yīng)注意，在換熱器管束計(jì)算振動(dòng)允許的情況下優(yōu)先考慮90 度布置管束，避免有銳角出現(xiàn)，這樣可從管束結(jié)構(gòu)布置上為其清洗干凈創(chuàng)造便利條件。

（三）由于反應(yīng)進(jìn)料加熱爐進(jìn)出口管道是氣液兩相流管道，易產(chǎn)生管道振動(dòng)。因此，在設(shè)置管系支架時(shí)，除了要考慮管道自身熱應(yīng)力的因素外，還要考慮兩相流可能會(huì)引起管道振動(dòng)的因素。支架間距、形式與位置應(yīng)經(jīng)過應(yīng)力分析后確定。當(dāng)管系經(jīng)過應(yīng)力分析計(jì)算，需要連續(xù)設(shè)置2 個(gè)彈簧支架時(shí)，應(yīng)避免同時(shí)選用吊架形式，這樣能在不同程度上提高整個(gè)管系的穩(wěn)定性，從而對(duì)管道振動(dòng)起到一定的預(yù)防作用。