EVA装置超高压压缩机出口管振动分析及结构改造.pdf

2023No9(上)设备管理与维修131技术与改造EVA装置超高压压缩机出口管振动分析及结构改造王海燕（大庆石化工程有限公司，黑龙江大庆163714)摘要：EVA装置中超高压压缩机极易出现管系振动情况，危害较大。压缩机C1202是EVA装置超高压压缩机的核心设备，结合实例探究超高压压缩机在运转中的振动原因，展开相关分析、提出阻尼减振方案，以期为解决超高压压缩机的管系振动问题提供参考。关键词：EVA装置；超高压压缩机；阻尼减振；振动分析中图分类号：TH45;TH113.1文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09.530引言2020年以前，我国EVA树脂（乙烯-醋酸乙烯共聚物）进口依存度始终维持在6 0%以上，国内对国产EVA树脂替代进口的需求不断增大。EVA装置指用于生产EVA的装置设备组，其提升产能的核心设备是超高压压缩机。由于聚合反应率只有10%30%，超高压压缩机所处理的气量比高压压缩机的工作压力大3 4倍左右，因此，排气压力通常在10 0 MPa以上2。超高压压缩机出口管的振动将促使装置的管路附件产生疲劳破坏，长期使用将导致包含出口管在内的全管路管线开裂、损坏，致使测量计、阀门等部件损坏，受高温高压的工作环境及内含易燃易爆气体等因素的影响，管路及部件的损坏极易造成生产安全事故。因此，对其出口管的振动情况及其原因进行分析进而改善管路结构，对设备投产具有积极重要意义。本文以某石化企业EVA装置核心压缩机C1202为例，针对其出口管振动进行分析，并提出结构减振方案，对该方案进行测试、验证有效。对于解决超高压压缩机出口管振动问题具有一定参考意义，有助于在维持设备正常运转的同时，保障设备使用的安全性。1EVA装置超高压压缩机出口管道参数及振动情况以C1202一级出口管为例，主轴转速2 0 0 r/min，管道材料为调制钢，管内介质为乙烯，出人口管的相关参数如表1所示。表1出入口管的相关参数名称数据名称数据出口管密度7.82x103kg/m3出口管外壁温度100出口管内径100 mm人口管压力2230MPa出口管壁厚40 mm出口管压力120 MPa超高压压缩机C1202工作时，存在肉眼可见的振动情况，分别在一级出口管气缸处、弯头中间、靠近地面处取3个测试点，测量其振动情况。测量发现，弯头处的振速及振幅均最大。连接设备的出口管道内含有高温乙烯可燃气体，振动数据超标将导致设备连接结构产生疲劳甚至损坏，影响主机顺利运转，引发一系列危险性连锁反应3。因此，及时发现振动强烈的出口管并展开振动原因分析，进而进行重点部分的针对性结构改m激发的谐波阶数微友的饭所效压缩机C1202为单作用方式，此处k=1。根据C1202的相关参数，得到压缩机的激振频率f=nmk_200 x160603.333H z。当m=7时，计算得到f=3.333x7=23.331Hz；当m=9时，计算得到f=3.333x9=29.997 Hz。利用Ansys分析得到出口管的固有频率，前10 阶固有频率详见表2。造，对减少生产事故具有重大意义。2振动原因分析2.1设备工作振动原因分析（1)超高压压缩机内部介质以气体为主，工业应用中常见介质为乙烯。由于其传输方式为间歇式，即压缩机气缸需经历吸气、排气过程将介质由低压状态转变为高压状态、由较低流速转变为较高流速。该过程产生气脉流动，在出口管内形成整体气柱，将压缩机振动传送到出口管中，出口管壁改变脉动流体的压力，在弯头、阀门等节点部位形成周期性激振力，导致出口管振动；加之管道振动反作用于出口管内的流体，从而产生耦合振动。C1202出口管内压力高达12 0 MPa，乙烯气柱在高压下冲击弯头管壁，管道必然产生激烈振动。(2)超高压压缩机工作会产生高温，考虑存在热胀冷缩的物理影响，出口管通常采用活动支撑。虽然C1202出口管材料为调制钢，屈服强度、抗拉强度和疲劳强度相对较强，但其出口管约束较少，亦容易产生振动。2.2压缩机出口管模型分析模拟建立如图1所示的出口管振动模型理论上，压缩机的激振频率计算公式为：f-nmk(1)60式中式中n-电机转速,r/mink压缩机气缸作用方式（单作用时值取1,双作用时值取2）振动出口管图1模拟振动出口管模型2023No9(上)设备管理与维修技术与改造132表2出口管固有频率Hz模态阶次固有频率模态阶次固有频率110.98221.847212.391723.058314.354830.045418.621934.153518.8761037.365将m=7、m=9 时计算得到的f与固有频率进行比对，可见出口管的固有频率与压缩机C1202的激振频率成倍频或接近倍频的关系。工程中，激振频率的共振区间在0.8 f1.2f,固有频率越接近激振频率，振动表现越强烈。该出口管的7 阶固有频率、9阶固有频率落在压缩机C1202的共振区内，两者形成强烈共振，此时测试点的振动位移最大。经测量，该振动情况与现场实际情况相符。3结构减振改进方案对设备运行中由于作用力激励产生的管道振动，可通过减少气流脉动、抑制振源振动两种路径达成减振目的，具体方案如下：（1)降低管道内介质的压力，根据实际使用的需求设置压缩介质的进口流量。(2)在振动情况严重的管道部分设置缓冲器，如已存在缓冲器，测量并调整缓冲器的位置（3)在管道的特定位置设置固有频率不同的孔板，用以保持运行中管道的固定，增加对出口管的支撑，或改变支座方式。（4）改变管道的结构布置或连接的管道尺寸。（5）增加阻尼减振器根据出口管道系统的有限元方程：M(m)+C(m)+K(m=F(t)其中,MCK为出口管结构的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵，(i)、(i(u)为出口管结构中节点的加速度、速度及位移的n阶向量；(F(t)是以时间t为变量的载荷函数，即出口管道承受的激振力列向量。设备未运行时，出口管内无激振力，此时(F(t)=0。由上述分析可知，管控出口管振动可通过调节管道结构的质量、阻尼或刚度矩阵完成。对已经成型的出口管结构，难再改变其质量矩阵；增加刚性支撑，则无法消耗振动产生的能量。根据能量守恒定律，刚性支撑可能导致能量转移，由于转移量不确定及过程中存在其他不可控因素；加之实际生产需求，不适宜改变投产进口流量，因此，在避免减振措施带来负面影响、减少能源损耗的前提下，可采用出口管阻尼减振技术来减少出口管的振动。4阻尼减振方案管道阻尼器是一种柱状孔隙式阻尼装置，分类较多。根据流体运动的特性，可选用粘滞型管道阻尼器，在其活塞上设置小孔，缸筒内置阻尼介质，当流体通过节流孔时会产生节流阻力，进而减少振动。阻尼减振器产生的阻尼力为回：简化后的超高压压缩机出口管相当于一个质量块，受到由气脉流动、共振等产生的激振力，弹性力及阻尼力的共同作用。对出口管振动方向之一简要分析，根据牛顿运动定律，出口管振动的微分方程为8 ：mx+cx+kx=FcoswtF=Cua(2)F=Cu(2)式中F阻尼器产生的阻尼力C阻尼系数活塞剪切速度速度指数阻尼系数C越大，阻尼力F越大，其关系曲线如图2 所示：10阻尼系数8 0 0 086阻尼系数40 0 042阻尼系数2 0 0 0000.20.40.60.81.0速度/（m/s）图2阻尼力F与阻尼系数C的关系曲线由图2 可知，出口管振动的结构改造应选择阻尼系数较大的阻尼器，以增加阻尼力、提升减振效果。安装阻尼器后，振动出口管、阻尼器及支撑结构形成一套系统(图3)。出口管激振力外加阻尼器支撑部分图3出口管振动改进模型其中,m、c、h 为该系统的质量、阻尼和刚度；、x、x 为加速度、速度及位移，F为激振力，w为激振频率，t表示时间;mx、c x、k x 分别表示该系统的惯性力、阻尼力和弹性力，Fcoswt表示外界的激振力。由此可见，安装阻尼减振器后，结构系统的刚度必然增加，则弹性力增加；阻尼力增加；在未更换出口管线的情况下，系统惯性力不变；在发生激振力时，有效抑制出口管振动情况。同时，增加阻尼器改变了结构系统的固有频率，产生激振时避免发生耦合共振，进一步削减了出口管的振动情况，根据超高压压缩机C1202的参数，用SAP2000建立出口管模型，得出：结构系统未增加阻尼器时,其出口管在高压12 0 MPa下弯头处的刚度最差，振动位移最大。基于现场实际情况，选取M、L、K 三处作为测试点，要该结构系统安装两个阻尼器，以增加设备运转的稳定性。安装后，对出口管改造结构系统进行振动测试。5测试结果对出口管结构系统进行改造，选择阻尼系数较大的粘滞2023No9(上)设备管理与维修技术与改造133编辑吴建卿基于PLC的炭基材料生产装备自动控制系统优化吕大飞1.2，巩雪桦1.2，曹昌兴1.2,严子深1.2（1.河北天善生物技术有限公司河北省炭基重金属土壤污染修复技术创新中心，河北唐山0 6 30 0 0；2.国家地质实验测试中心河北天善分中心利用农业废弃物制备炭基土壤修复材料重点实验室，河北唐山063000)摘要：为提高现有炭基材料生产装备自控系统的控制精度，满足更高要求的生产工艺，直观体现核心设备炭化炉生产状态，控制净化气体管路压力安全可靠运行，对现有炭基材料生产装备自控系统进行优化。通过引入串级控制进行炭化炉内温度调节，增加PLC工艺参数采集点位，设置热成像系统提供炉内运行信息数据支持，增加净化气路安全压力检测放散装置等措施，最终实现生产装备稳定、高效的工艺生产要求。关键词：炭基材料生产装备；自控系统优化；PLC中图分类号：TP273;TH811文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.09.540引言生物质炭基材料是应用于土壤地力提升、污染土壤修复的新能源生态环保材料，其主要是面向重金属修复、盐碱地治理、矿山修复、荒漠化治理等区域根据不同性质土壤、不同环境条件、不同污染来源、不同污染种类和不同污染程度，有针对性地研制出的土壤修复材料。生物质炭基材料的生产工艺是一种新能源环保工艺，是将农林废弃物等生物质原料先进人原料前处理系统进行干燥、压阻尼器分别安装在A、B两处，开启设备运转并测试数据情况。将安装阻尼器后的M、L、K 三个测点振动数据，与未安装阻尼器时的数据进行比对(表3)。由表2 可以得出，安装阻尼器前，结构系统的弯头部位振动明显，振动速度及振幅均表3安装阻尼器前后3个测点的振动数据振速/(mm/s)振幅/m测点安装前安装后安装前安装后M48.63421.301965428L71.86117.6871304439K52.36016.5691012367较大；增加阻尼器进行结构改造后振速及振幅均明显下降，降幅分别高达7 5%和6 6%。因因此有效抑制了该设备的振动情况。6结束语超高压压缩机出口管振动是普遍存在的现象，利用有限元分析、模态分析等方法得到出口管固有频率及共振模态，对数据进行分析后得出振动原因为管内介质的气脉流动及耦合共振。针对振动原因提出可行性改善方案，对已安装的设备出口管进KMBA图4阻尼器安装示意制为要求入炉的尺寸及形状，经过上料系统送人炭化炉，通过复杂的生物质热裂解反应将原料分解得到以生物质炭为基质的生物质炭基材料。热裂解过程产生的生物质燃气通过净化系统进行净化，处理后的纯净气体进人储存系统，为后续的生物质燃气新能源利用系统提供气源用于生物质燃气发电或者生物质燃气锅炉，从而实现农林废弃物的节能环保再利用。炭基材料生产装备自动化控制系统是以生物质炭基材料生产工艺为基础，具有以采用PLC、电气控制系统、仪表采集检测行阻尼减振处理。通过安装粘滞性阻尼器，在设备安全运转中增加阻尼力，降低出口管激振力，能够有效耗散掉管道振动的能量，同时不产生附加应力。通过对出口管结构系统的改造，振速最高降低了7 5%、振动幅度最高降低了6 6%，提高出口管结构系统的稳定性，在一定程度上延长了EVA装置超高压压缩机设备的使用寿命，提升设备投产的安全系数。参考文献1唐帅，谢燕媚，王文超，等.高压聚乙烯装置增压机出口管线振动特性研究J.石油化工设备，2 0 2 2，51（6）：2 0-2 6.【2】刘传云，肖承燃，罗元易.基于粒子阻尼的丙烯压缩机出口管线阻尼减振研究J.石油化工安全环保技术，2 0 2 2，38（5）：30-34，6.3袁伟,孙亮，赵杰，等.往复压缩机管系刚度控制减振技术及其应用J.振动.测试与诊断，2 0 2 2,42(4)：7 7 7-7 8 3,8 30.【4柳杰.简述高压聚乙烯装置压缩机管道支架设计J.当代化工研究，2022(9):141-143.5续雯雯.往复式压缩机管道的减振设计J.化工设计通讯，2 0 2 1，47(7):63-64.6张粗琛，何立东.设备管线阻尼减振应用研究J.广东化工，2021,48(10):188-189,160.【7 陈钊，何立东，邓哲.不同安装位置下主动阻尼装置对管道振动的控制效果研究J.北京化工大学学报（自然科学版）,2 0 2 0，47（3）：9 3-9 9.8张海涛，郑坤，周毅，等.基于管道振动分析的往复式压缩机机构优化J.机械设计与制造工程，2 0 2 0,49（5）：112-116.