輸氣管道若干振動問題簡析

1、輸氣管道假設(shè)干振動問題簡析中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司蔡峰峰河北省任丘市華北油田第一采油廠任北采油作業(yè)區(qū)毛玲摘 要在石油、 石 化、 天然氣等 行業(yè)中管道 振動問題往 往帶 來嚴(yán) 重的平安生 產(chǎn)隱患，使管道、 管件等產(chǎn)生疲勞破壞， 甚至威脅到設(shè)備平安。本文針對在實(shí)際工作中遇到的幾個典型的振動案例，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合 CAESAR II 軟件的動態(tài)分析模塊，建立了數(shù)學(xué)模型，取得了振動模態(tài)及對分析、 解決振動問題給出了可行的解決方案。關(guān)鍵詞管道振動 壓力脈動CAESAR II3固有頻率管道振動的原因和機(jī)理1當(dāng)激振力明確后，就需要確定管系的振動響應(yīng)， 振動響應(yīng)就是與其相應(yīng)的頻率諧振 共

2、振。1管道振動的原因振動的周期或頻率與初始條件無關(guān)，而與系統(tǒng)的從 力 學(xué) 角 度 看 ， 管 道 振 動 是 特 殊 的 機(jī) 械 運(yùn)固有特性有關(guān)， 稱為固有頻率。物體的固有頻率動， 也是典型的力學(xué)現(xiàn)象。工業(yè)管道系統(tǒng)是由與各種設(shè)備、 裝置相連的管道、 容器、 閥門、孔板與其硬度、 質(zhì)量、 外形尺寸有關(guān)。 當(dāng)其發(fā)生形變時 ， 彈 力 使 其 恢 復(fù) 。 彈 力 主 要 與 尺 寸 和 硬 度 有等構(gòu)成的復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 當(dāng)受到隨時間變化的激振力作用時， 這個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)就有可能產(chǎn)生 振動。從激振力的來源分析， 壓力管道的振動分為 內(nèi)因型和外因型。 內(nèi)因型是由轉(zhuǎn)動、 往復(fù)等設(shè)備關(guān)， 質(zhì)量影響其加速度

3、。 由此可見，管道的幾何結(jié)構(gòu)走向就決定了機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率， 同時又會對氣體的壓力脈動產(chǎn)生影響。2應(yīng)用 CAESAR II 軟件分析管道振動實(shí)例引起的機(jī)械振動、 壓力脈動、 兩相流脈動等；外因型是由地震、 風(fēng)載荷等外加載荷引起的振動。CAESAR II 是 由 美 國 COADE 公 司 研 發(fā) 的基于有限元的壓力管道應(yīng)力分析軟件。 它既可以2共振管 道 振 動 時 ， 分 為 兩 個 并 行 的 系 統(tǒng) ：一 個計(jì)算靜態(tài)分析， 也可進(jìn)行動態(tài)分析。其動態(tài)分析是 管 道 的 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) ， 另 一 個 那么 是 與 之 對 應(yīng)的 氣 柱 系 統(tǒng) 。 因 此 ， 共 振 也 分 為 兩

4、 類 ， 一 是 氣 柱 共 振 。 管 道 系 統(tǒng) 內(nèi) 所 容 納 的 氣 體 稱 為 氣 柱 ， 因 為 氣 體 可 以 壓 縮 、 膨 脹 ， 故 可 以 看 作 一 個 類 似彈簧的 振動系統(tǒng) ， 它 具有一系 列的固有 頻 率 。包 括： 防止管 道系統(tǒng)共振 的管道自振 頻 率 分 析 、防止氣柱共振的往復(fù)壓縮機(jī) 泵 氣 液 柱頻率分析及控制壓力脈動值的往復(fù)壓縮機(jī)力脈動分析等。泵壓天然氣外輸管線因氣量調(diào)整引起的振動背景現(xiàn)象11當(dāng) 激 發(fā) 頻 率 與 固 有 頻 率 相 等 或 相 近 時 ，系 統(tǒng) 即產(chǎn) 生 共 振 ； 二 是 管 道 機(jī) 械 共 振 。 由 管 子 、 管 件和 支

5、 架 組 成 的 管 道 本 身 也 是 一 個 彈 性 系 統(tǒng) 。 管管線為凈化氣外輸管線， 發(fā)生振動管段位于凈 化 氣 外 輸 站 進(jìn) 站 收 球 筒 入 口 處 ， 管 線 規(guī) 格 為DN900， 設(shè) 計(jì) 溫 度 60 ， 設(shè) 計(jì) 壓 力 6MPag。道 系 統(tǒng) 根 據(jù) 配 管 情 況 及 支 撐 的 類 型 和 位 置 ，也會 有 一 系 列 的 固 有 頻 率 ， 當(dāng) 激 發(fā) 頻 率 與 某 階 固有頻率相等或相近時， 便發(fā)生管道的機(jī)械共振。2021 年， 隨著 外輸氣量 從 46104 Nm3/h增加 至 50104 Nm3/h ，外 輸 站 進(jìn) 站 三 通 后 部432021.1

6、2 總 第 487 期機(jī) 械 工 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) 化 與 質(zhì) 量質(zhì)量與檢測Quality and DetectionDN600 管 線 出 現(xiàn) 了 明 顯 的 振 動 現(xiàn) 象 見 圖 1，a 因 為 調(diào) 整 產(chǎn) 量 時 壓 力 的 波 動 ， 在 彎 頭 、管線上安裝的溫度計(jì)指針擺動頻率較高，在振動的管線發(fā)出較大的噪聲。并且存大小頭、 三通等處產(chǎn)生作用力，隨時間變化產(chǎn)生的激振力；這些力為動態(tài)力原因分析b 溫度計(jì)檢測 儀表附近的 振動 ，是由于 溫2由 于 現(xiàn) 場 管 線 出 現(xiàn) 了 人 眼 可 見 的 振 動 及 噪度計(jì)及熱電阻套筒插入過長形成長懸臂， 剛性較音， 可以判定是發(fā)生了管道系統(tǒng)的機(jī)械振

7、動。鑒差， 當(dāng)輸氣量調(diào)整， 氣速提高后，在高速氣流的于外輸站上游沒有振動源， 且振動的發(fā)生與氣量及輸氣壓力產(chǎn)生了一定的相關(guān)性， 分析得出兩個 可能產(chǎn)生激振力的原因：沖擊下形成了快速振動， 產(chǎn)生激振力。 當(dāng)激振力引起的頻 率接近或等 于管道系統(tǒng) 的固有頻 率 時 ，系統(tǒng)產(chǎn)生共振。溫 度 表 壓 力 表 壓 力 變 送 器圖 1現(xiàn)場管道走向頻率值， 因此采取了改變管系固有頻率的方法。軟件分析3筆者依據(jù)現(xiàn)場提供的參數(shù)建立了 CAESAR II分析模型， 其配管走向及支撐情況如圖 2 所示。 通 過模態(tài)計(jì)算， 管系的前八階固有頻率如表 1 所示。根 據(jù) GB 503162000 2021 版 ?工 業(yè)

8、通過增加固定支墩、 導(dǎo)向支架、調(diào)整溫度計(jì)套 管 插 深 等 方 法 后 ， 一 階 固 有 頻 率 提 高 到現(xiàn) 場 實(shí) 施 后 反 饋 未 再 發(fā) 生 振 動 現(xiàn) 象 ，7.917Hz，證明改變系統(tǒng)固有頻率后已避開了激振頻率區(qū)。金 屬 管 道 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 ?和 SH/T 30732004 ? 石21天然氣外輸管線再次發(fā)生的管壁共振油化工管道支吊架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)? 要求， 裝置區(qū)內(nèi)管背景現(xiàn)象系的固有頻率應(yīng)該大于 4Hz。此管系由于限制性2021 年， 隨著外輸氣量從 50104 N m3/h支 架 不 足 ，一 階 固 有 頻 率 只 有 2.75Hz，系 統(tǒng) 易增 加 至 5558104 Nm

9、3/h，凈 化 氣 外 輸 站 進(jìn)于被激發(fā) ， 因此需要 增加支架 ，提高系統(tǒng)固有頻率。增 大管 系 剛 度 ，站三通后部與球 閥之間的 DN900 管線出現(xiàn)了 明顯的顫抖現(xiàn)象， 低幅高頻，顯關(guān)聯(lián)性， 見表 2。現(xiàn)場噪聲與流量有明4解決方案及反應(yīng)當(dāng)激振頻率靠近固有頻率區(qū)間而引起管道系統(tǒng)機(jī)械振動時， 有效的方法是調(diào)整激振頻率使之避 開固有頻率區(qū)間。 但鑒于現(xiàn)場條件， 無法確定激振表 2 中 Y 為 鉛 垂 直 方 向 ， X 為 管 線 軸 線 方向， Z 為徑向方向。 可見 914 三通后 2 米左右處Y 向振動速度最大。442021.12 總 第 487 期914 三 通機(jī) 械 工 業(yè) 標(biāo)

10、準(zhǔn) 化 與 質(zhì) 量Quality and Detection質(zhì)量與檢測圖 2 系統(tǒng)數(shù)字模型表 1管系固有頻率Hz表 2現(xiàn)場振動測量數(shù)據(jù)業(yè)化量原因分析介質(zhì)流態(tài)高度相關(guān)，振動傳感器測量儀，因此赴現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，通過2鑒于管系一階固有頻率已較大提高， 且外輸站區(qū)上游沒有振動源， 筆者認(rèn)為振動與管道內(nèi)的獲得了詳細(xì)的振動頻率、 幅值、 時域響應(yīng)譜等信息， 增加了數(shù)字模型與現(xiàn)場452021.12 總 第 487 期機(jī) 械 工標(biāo) 準(zhǔn)與 質(zhì)序 號位 置方 向振 動 速 度 mm/s1管 線 現(xiàn) 場 溫 度X1.50.50.62Y0.70.50.83Z5.11.52.14管線水平段管線 X0.20.30.15Y5

11、.01.42.34.64.44.66Z5.71.51.85.54.95.07管 線 彎 頭X2.50.81.32.21.71.98Y2.20.70.92.52.42.79Z6.61.52.62.02.110914 三 通X0.300.311Y6.62.98.17.46.46.012Z6.21.94.513氣 動 截 斷 閥 前 1m 處 6Y0.10.10.10.214914 三 通 前 4m 處 5Y6.25.44.94.015914 三 通 前 2m 處 4Y6.84.33.22.816914 三 通 3Y1.17.46.46.017914 三 通 后 2m 處 2Y37.323.320.

12、815.318914 三 通 后 3m 處 1Y3.33.03.02.219流 量 Nm3/h55.250.854.058.754.054.020壓 力 MPa4.84.855.04.954.904.8521D6 1010.3 流 速 m/s12.211.211.512.6611.7611.88階 次12345678固 有 頻 率2.7524.1376.0597.4109.4249.85715.44718.624質(zhì)量與檢測Quality and DetectionaB2Z aB2Y2aB1Y-aB2Z3aB1Z aB3Z1-aB1Z4aB4Z圖 3 DN900 管線截面 198Hz 下振動模態(tài)

13、實(shí)際狀況的吻合程度。而 與 管 道 內(nèi) 部 流 體 流 態(tài) 、 管 材 本 身 剛 度 等 特 點(diǎn)經(jīng) 勘 測 ，管 道 系 統(tǒng) 各 點(diǎn) 振 動 頻 率 均 為相 關(guān) 。初 步 認(rèn) 定 由 于 提 升 產(chǎn) 量 等 引 起 的 壓 力 脈198Hz 時 出 現(xiàn) 最 大 振 幅 ， 且 為 徑 向 振 幅 ，這 不動 ， 在 DN900DN600 的 異 徑 三 通 后 至 球 閥 關(guān)閉 處 盲 端 部 分 管 道 內(nèi) 產(chǎn) 生 氣 柱 共 振為 激 振 頻率， 引 發(fā)了管壁 共振 。應(yīng)該是管道系統(tǒng)振動。 因?yàn)楣艿老到y(tǒng)的固有頻率一般低頻容易被激起， 高頻不易被激起， 而且管道系統(tǒng)的不同位置，有頻率應(yīng)該

14、不同。不同監(jiān)測點(diǎn)，不同方向，固解決方案及 反應(yīng)4鑒于輸送氣體流態(tài)的復(fù)雜程度， 只能定性地認(rèn)定 激振源是由 于在一定 的壓力和氣 體流 速 下 ，軟件分析3筆者以現(xiàn)場取得的參數(shù)為依據(jù)，重新修正了在管道盲端處形成了一定的受迫振動，柱共振。而引起氣CAESAR II 數(shù) 據(jù) 模 型 ， 使 用 模 態(tài) 分 析 方 法 ，在198Hz 附近發(fā)現(xiàn)了一種振動模態(tài)， 如圖 3 所示。而共振管長短、 管徑大小、管壁厚度以及管鋼管截面不再是剛體而成為彈性變形體，徑向振幅的特點(diǎn)與現(xiàn)場勘查結(jié)果一致。且產(chǎn)生線分支情況是決定產(chǎn)生氣柱共振與否的重要因素。因此筆者給 出的解決方 案是 ：圖 3 中黑白圓點(diǎn)為鋼管截面上振動貼

15、片所測得的振動位移趨勢的示意圖。將閥門移至 直接與異徑 三通相連處 ， 最1大限度縮短 盲端管子的 共振管長 ；2 增大共振管 管徑及異徑 三通直管管 徑 ；更換厚壁管 。3結(jié)論3目前， 對于石化及天然氣裝置來說， 管道振動 問 題 還 是 個 世 界 性 的 難 題 ， 它 涉 及 到 流 體 力學(xué)、 固體力學(xué)、 響應(yīng)譜理論、時程分析等多種學(xué)科， 有很強(qiáng)的隨機(jī)性和偶然性，處理起來非常復(fù)雜和繁瑣。根據(jù)美國 ASME B31.3-2021?加 工管線? 標(biāo)準(zhǔn)，在管道設(shè)計(jì)之初是不需要做詳細(xì)振動分析的，只需要滿足一階最低固有頻率的要求滿足通過管架跨距， 以及往復(fù)壓縮機(jī)附近管系固有頻率與脈動頻率之比在

16、 0.8f/fh1.2 范圍之 外即可。CAESAR II 軟 件 的 固 有 頻 率 動 態(tài) 分 析 功 能由 剛 體 的 定 義 可 得 ： 1 和 2 點(diǎn) 的 加 速 度aB1Y 在 1 點(diǎn) 和 2 點(diǎn) 連 線 上 的 投 影 之 和 應(yīng) 該aB1Z，相 等 ， 所 以 1 點(diǎn) 有 黑 點(diǎn) 的 兩 個 加 速 度 在 1 和 2連 線 上 的 投 影 之 和 應(yīng) 該 等 于 2 點(diǎn) 兩 黑 點(diǎn) 的 兩 個滿 足 了 分 析 準(zhǔn) 確 性 的 要 求 ，可 以 對 管 系 結(jié) 構(gòu) 振加 速 度 在 1 和 2 兩 點(diǎn) 連 線 上 的 投 影 之 和 ，否 那么動 進(jìn) 行 定 性 分 析 。 其 模 態(tài) 化 分 析 方 法 ，可 以 在截 面 B 就 不 是 剛 體 了 。 振 動 有 很 多 模 態(tài) ， 圖 3所發(fā)生的 振動就是 198Hz 的 一個模態(tài) 。綜 上 所 述 ， 筆 者 判 斷