柴油加氢装置两相流工艺管线振动分析及减振控制

苏建军

（陕西延长石油（集团）有限责任公司榆林炼油厂，陕西 靖边 718500）

本文结合现场管道振动实例，对可能引起管道振动的原因进行了分析。通过及时采取有效措施，使管道振动问题得到解决，确保其安全生产。并且对类似两相流管系的稳定性设计给出了建议，为消除同类装置的安全隐患，确保装置的安全平稳运行提供参考。

一、两相流的特性

气液两相流应从相开始论述，相其实在物理学上是物质的一种集态。固体具有固相，液、气体分别具有液相和气相。自然界一般存在有三相，即固、液、气。在流动系统中，若有两相介质，就叫作两相流，多于两相，则称作多相流。气液两相流就是流动系统中存在有气体和液体两种相态。

（一）流型的多变性。流型在研究流体流动中具有重要的意义。单相流可分为层流和紊流，但气液两相流中，除了各相内部的作用外，还存在有相与相之间的相对运动，相对运动会产生相对位置的变化，相对位置变化会改变作用的方向和大小，又会形成新的流型。由于输流管道一般较长，所以力的分布会很不均匀，因此在同一条管道中可能存在多种流型。

（二）相间作用力强。气液两相流中有非常强烈的相间作用力，很多流型的产生和改变都与其相间作用力有关。一般来说，流速越大，相间作用力越强越复杂，流型越不稳定。

二、气液两相流管道振动研究现状

气液两相流管道流固耦合问题因气液两相流复杂性而研究成果甚少。研究气液两相流固耦合问题时通常采用理想的气液混输瞬态流动理论模型，理论模型可分为：均相流模型、双流体模型、漂移流模型、无压波模型。均相流模型将气液混合物看成一种均匀介质，假设气相和液相速度相等，两相介质达到热力学平衡，忽略气液相间滑脱，认为气液混合均匀和分散相体积浓度低，适用于气泡流和弥散流。双流体模型分别对气液相分别建立连续性方程和动量方程，考虑了相间作用，可适用多种流型，主要用于分离流(分层流和环状流)，也可用于段塞流。漂移流模型将管线中的两相流体当成一种流体，考虑相间滑移，漂移速度和混合物速度呈线性关系，建立混合动量方程。对段塞流有很好的适应性。无压波模型消除方程中的声波现象。但采用以上理论模型建立起来的振动理论模型在流型为波状流层状流段塞流等流型会不适用，实际应用效果不好。

对于两相流诱发振动问题，现有理论多集中于换热器中气液两相流横掠管束振动研究，包括周期性流动冲击、流体弹性不稳定、紊流随机激发及涡街振动，而对内流管道振动研究相对甚少。

三、管道振动现象

管道从高压换热器壳程出口至反应加热炉入口管道。管道内介质是高温油气和氢气，是典型的气液两相流管道。加热炉为箱式炉，分两路进料，操作温度为366℃；操作压力为8.7MPa。在装置负荷达到239t/h 时(即换剂改造设计条件的100%负荷)，进料加热炉入口管道弯头部位有明显振动，此时压缩机、进料管线及高压换热器等负荷均达到操作上限。

四、管道振动原因

由于气液两相流气相和液相比重相差较大，因此有可能产生管道振动。具体从工艺过程、管道支架设置、设备检修几方面对振动原因进行分析。

（一）工艺过程方面。经工艺计算，换剂改造后与原设计相比，化学氢耗由原设计的1.58%提高到2.34%，需要的新氢量(标准状态)从原来的36000～40000m3/h 提高到50000～56000m3/h，反应深度增加，反应温升提高14℃，冷氢量加大，转化率提高，轻油收率尤其是重石脑油收率提高到30%，尾油收率降低至27%。

由于换剂改造后气体量增加，使高压换热器和加热炉入口压降增大，流速较高，流量出现波动，可能引起局部管道的振动。

测量发现，循环氢流量存在波动。当循环氢流量波动增大时，管道振动的振幅和频率也随之增大。

（二）管道支架设置方面。对于易产生振动的两相流管道，支架的设置和选型对改善管系的振动起着重要的作用，因此应选用防振支架或采取减振措施。

考虑到装置开工期间的现场实施条件，对管道现有支架设置情况进行了重新核算，并采取以下缓解振动措施:

1.在加热炉入口嘴子处增加限位支架，以避免由于加热炉炉管支架松动、脱落导致的管道振动。

装置检修后再次开工，在达到满负荷运行的情况下，炉入口管道几乎没有振动，因此可确定，管道振动还是由于高压换热器壳程结垢流通面积降低，压降升高而引起的。

2.将加热炉入口两分支管线在膨胀弯处的弹簧吊架改为弹簧支架，以增加管道的摩擦力，并对支架钢结构进行加固，同时增加轴向止推支架，以防止由于管道较高带来的管系不稳定。

3.在入口总管恒力弹簧处增加导向挡块，力争改变管道振动频率。

实施上述措施后，只对管道振动起到了一定的缓解作用，现场的振动情况仍未得到明显改善。因此，引起管道振动的主要原因还没找到。

五、预防措施和建议

（一）尽管各种原因都有可能引起管道振动，但对上述情况，主要还是由于高压换热器壳程管束结垢引起的。因此，为避免类似情况的发生，建议各炼油厂对加氢裂化装置关键设备的检修维护问题应引起足够的重视，尤其是高压换热器应定期进行结垢清洗，做到彻底、干净，保证清洗效果。并且保证原料阻垢剂的加注量，尤其在开工初期，要保证阻垢剂的加注量达到正常加注量的两倍，防止换热器管束外侧较快出现垢阻层。但要特别注意的是，要严格控制阻垢剂中氯离子含量不能大于50×10-6(50ppm)，金属含量小于1×10-6(1ppm)。

（二）对于大口径螺纹缩紧环结构的高压换热器，管束数量至少上千根，要想将管束之间的积垢彻底清洗干净并非易事。因此，在考虑布置管束形式角度时也应注意，在换热器管束计算振动允许的情况下优先考虑90 度布置管束，避免有锐角出现，这样可从管束结构布置上为其清洗干净创造便利条件。

（三）由于反应进料加热炉进出口管道是气液两相流管道，易产生管道振动。因此，在设置管系支架时，除了要考虑管道自身热应力的因素外，还要考虑两相流可能会引起管道振动的因素。支架间距、形式与位置应经过应力分析后确定。当管系经过应力分析计算，需要连续设置2 个弹簧支架时，应避免同时选用吊架形式，这样能在不同程度上提高整个管系的稳定性，从而对管道振动起到一定的预防作用。