关于反应釜高压清洗管系设计的探讨

范伦旋

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

公司于2013年承接某科技有限公司特种聚氨酯项目，根据产品黏度高、清洗困难等情况，采用了高压清洗系统，该高压清洗系统的设计压力为55MPa，操作压力为50MPa，该压力超出了《工业金属管道设计规范》(GB 50316-2000(2008版))规定的公称压力小于等于42MPa的要求，属于超高压力，尤其是高压三通和高压弯管的内、外侧壁厚的计算更是没有规范或标准进行支持，造成高压清洗系统管道及管件的计算难度加大。

该项目属于间歇生产，要求原料和产品品种更换频繁，为保证产品质量，需要对反应釜等进行频繁的清洗。该高压清洗系统的高压流体输送泵采用柱塞泵，因此，更加导致了反应釜高压清洗管系振动问题频发。管道振动问题比较常见，但如此高压力的管道振动情况必须予以重视，否则将造成不可估量的严重事故。本文针对高压清洗管系振动问题进行了详细的研究与论证。

1 壁厚确定

设计条件如表1所示。

表1 高压清洗系统设计条件

1.1 高压直管壁厚的设计

高压直管壁厚的计算依据参考《工业金属管道设计规范》(2008年版) GB50316-2000 及《压力管道规范 工业金属管道》 GB/T 20801-2006，波特曼公式作为计算依据，计算出直管壁厚，然后用ASMEB31.3标准校核直管的计算壁。经查《工业金属管道设计规范》(2008年版) GB50316-2000得出，20G在设计温度下的许用应力为137MPa。波特曼公式以及ASME B31.3-2012规范中壁厚计算公式分别如式(1)、(2)所示。

波特曼公式

(1)

ASME B31.3-2012规范中直管壁厚计算公式

(2)

通过应用波特曼公式计算，ASME B31.3-2012规范中公式验证，以及厂家的推荐，确定壁厚在14左右。又根据以往设计经验，直管壁厚设计余量取5%～10%，考虑到方便施工，最终将管道规格确定为φ65X16的管道。

1.2 弯管壁厚的计算

采用《压力管道规范 工业金属管道》GB/T20801-2006作为计算弯管内、外侧壁厚的理论依据，根据GB/T20801-2006和ASMEB31.3两个标准计算出的差值计算出高压弯管的设计壁厚。最终确定弯管壁厚与直管壁厚相同。

1.3 三通的校核

对于55MPa下高压三通的设计，国内标准JB/T 1308.17-2011中PN2500《超高压阀门和管件》只适用于工程尺寸为N3～DN25，本项目公称通径DN50超出该标准的设计范围，如果利用该标准计算依据不足。经调研现行高压清洗管道使用的三通为整体成型三通，加工工艺采用自由锻+机械加工，因此决定对整体成型的三通按照《压力管道规范 工业金属管道》GB/T20801-2006中承压面积法对三通的强度进行反复校核，校核高压三通补强范围高度、三通的有效长度以及三通的外形加工尺寸。

2 振动问题的发现

确定管径壁厚后，经管系分析，原设计反应釜高压清洗管系存在较大的振动问题，振动特点如下：

(1)柱塞泵出口管道、弯头附近、管系端点靠近用户处的部分振动剧烈。

(2)该管系支吊架以吊架居多，强度大的落地支架较少。

通过与柱塞泵厂家进行技术交流，了解了该柱塞泵的其他基本参数，如图1所示，该泵的激发频率为25Hz。通过分析管道与泵的参数得出，管道较细，柔性好，刚度低，若管道走向及支架设计若管道走向设计不合理，管道柔性过大，其固有频率极易落在泵激发频率的0.8～1.2倍之内，就会导致管系振动剧烈。但若一味增强管系刚度，势必会造成应力集中，影响管系稳定性，刚度与应力两者间必须要把握好度。

图1 高压清洗管系柱塞泵基本参数

管机专业采用CAESAR II和ansys有限元分析软件，对该管道模型进行有限元理论分析，如图2、3所示。

图2 CAESARII管道应力分析模型 图3 弯头Ansys有限元应力分析模型

通过整体应力模型分析，该管系的固有频率为30Hz，刚好落在高压柱塞泵激发频率的0.8～1.2范围内，导致管系振动剧烈。通过Ansys对端点、弯头处刚度分析，发现端点和弯头处的刚度是很小的位置，需着重增强刚度，降低柔性。至此，经分析以及软件计算，发现导致反应釜高压管系振动的根本原因是管系固有频率过低。

3 振动问题的解决

请教专家后，拟将高压清洗管系固有频率提高到50Hz及以上，可以有效减少管系振动，并且满足安全裕量的要求。

经CAESAR II计算分析，原有管道布置不合理，管系柔性太大，刚度太小，其固有频率与柱塞泵激发频率接近，导致振动较大。原有管道支架设置不合理：管道走向确定的前提下，管道支架的设置能显著增强较细管道的刚度，尤其是在管系末端位置，刚性强的支架能有效减少管系振动。

通过改变管道走向，对比振动大小，确定了最佳的管道布置，对比结果如图4所示。

图4 不同管道走向下管道柔性分析

增加支架数量，增强高压清洗管系的刚度，提高固有频率，支吊架前后对比图如图5所示。

图5 支吊架数量前后对比图

通过上述方式即改变管道走向、增加支吊架数量以及刚度，提高高压清洗管系的固有频率，经CAESAR II计算分析，高压清洗管系固有频率提高到50Hz及以上，避开了高压柱塞泵激发频率的0.8～1.2范围，从而解决了振动剧烈的问题。

4 问题总结

超高压是反应釜高压管线设计的难点，本次设计采用多方调研和研究评审等方式解决本项目的难点。通过调研国内一家外资企业类似项目正在运行的实际工作壁厚，利用本次研究方法进行反推验证，得出理论计算厚度与实际选取厚度是吻合的，证实了本次研究方法具有一定的可靠性。通过多次调整管道走向和合理设置高压管架的类型及位置，理论上解决了反应釜高压清洗管系的振动问题。该项目已经一次性开车成功，经与业主沟通交流，高压清洗管系运行良好，没有出现振动以及噪音较大的情况。