冷俊 吳卓謙 廖凱 蔣沖 趙勇
摘 要:隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展,大型壓縮機(jī)組越來越廣泛的應(yīng)用于天然氣長(zhǎng)輸管道工程。結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用,對(duì)已有的壓縮機(jī)站場(chǎng)工藝管道振動(dòng)分析方法作出改進(jìn)。通過管道應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ和科學(xué)仿真計(jì)算軟件Matlab的聯(lián)合使用,合理、有效的對(duì)天然氣壓縮機(jī)站場(chǎng)工藝管道振動(dòng)情況進(jìn)行分析。
關(guān) 鍵 詞:壓縮機(jī);管道;固有頻率;氣柱;振動(dòng)
中圖分類號(hào):TQ 051 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1671-0460(2015)07-1690-03
Discussion on Analysis Methods of Pipeline Vibration
in Natural Gas Compressor Stations
LENG Jun1, WU Zhuo-qian2, LIAO Kai3, JIANG Chong4, ZHAO Yong5
(1. School of Oil & Natural Gas Engineering,Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610000, China;
2. Gas Management Office,Southwest Oil and Gas Company, Sichuan Chengdu 610000, China;
3. Shunan Gas Field of Southwest Oil & Gas Field Company, Sichuan Shunan 646000, China;
4. Jiangxi Natural Gas Co., Ltd,, Jiangxi Nanchang 330029, China;
5. Lan-Cheng-Yu Oil Product Transportation Subcompany, Sichuan Chengdu 61000, China)
Abstract: With the rapid development of natural gas industry, large-scale compressor sets have been widely used in long distance natural gas pipeline projects. Based on the practical application in a compressor station, the analysis method of pipeline vibration in the compressor station was improved by using CAESAR Ⅱ and Matlab, a reasonable and efficient vibration analysis method of the pipeline of natural gas compressor station was put forward.
Key words: Compressor; Pipeline; Resonant frequency; Air column; Vibration
根據(jù)世界石化工業(yè)100起特大財(cái)產(chǎn)毀損事件分析表明,由管道振動(dòng)引發(fā)的事故為19%,排在第二位(第一位是機(jī)械故障)[1]。
在生產(chǎn)實(shí)際中,強(qiáng)烈的管道振動(dòng),將會(huì)使管路附件,尤其是管道的連接部位、管道與附件的連接部位和管道與支架的連接部件等處發(fā)生磨損、松動(dòng);在振動(dòng)所產(chǎn)生的交變
應(yīng)力作用下,導(dǎo)致疲勞破壞,從而發(fā)生管線斷裂、介質(zhì)外泄,甚至引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故,給生產(chǎn)和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。對(duì)于壓縮機(jī)站來說,壓縮機(jī)進(jìn)出口管道直接與振動(dòng)源相連,對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)分析是很有必要的。
以前的研究未考慮氣柱共振的影響,或氣柱固有頻率計(jì)算結(jié)果不太理想,本文根據(jù)工程的實(shí)際應(yīng)用,提出的分析方法考慮了氣柱共振影響,同時(shí)提高了氣柱固有頻率計(jì)算的準(zhǔn)確度。
1 壓縮機(jī)站場(chǎng)工藝管道振動(dòng)
壓縮機(jī)站場(chǎng)是長(zhǎng)距離輸氣管道的重要組成部分。壓縮機(jī)進(jìn)出口管道直接與壓縮機(jī)相連,易受振動(dòng)源激發(fā),產(chǎn)生振動(dòng)。如果激發(fā)源的振動(dòng)頻率與管道的固有頻率一致或接近將會(huì)產(chǎn)生共振,容易造成對(duì)管道的破壞,引發(fā)事故。同時(shí)管道內(nèi)填充的氣體也有自身的固有頻率,若激發(fā)頻率接近該頻率,該氣柱系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生響應(yīng),引發(fā)共振,對(duì)管道系統(tǒng)造成破壞。因此,對(duì)這兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析,找到其共振可能發(fā)生的頻率范圍,可對(duì)壓縮機(jī)站的工藝管道設(shè)計(jì)以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的事故分析提供幫助。
天然氣壓縮機(jī)站場(chǎng)工藝管道的振動(dòng)由兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。一是機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng),由管道、管道附件、容器、支架等構(gòu)成,受到激發(fā)后產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)。二是氣柱振動(dòng)系統(tǒng),即充斥于管路內(nèi)的氣體,它具有自己的固有頻率,這個(gè)系統(tǒng)受到一定的激發(fā)后也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。激發(fā)源的振動(dòng)頻率與任一系統(tǒng)的固有頻率接近,該系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生共振。
在對(duì)新疆某壓縮機(jī)站場(chǎng)振動(dòng)分析過程中,整理出一套合理的方法,且對(duì)以前的方法作了改進(jìn)。
2 振動(dòng)分析
使用管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析的專業(yè)軟件CAESAR Ⅱ建立管道模型,根據(jù)該壓縮機(jī)站場(chǎng)的實(shí)際情況,設(shè)置相應(yīng)約束,在其動(dòng)態(tài)分析模塊中進(jìn)行管系固有頻率的計(jì)算。為了準(zhǔn)確的求出氣柱各階固有頻率,使用頻響函數(shù)法替代宋曉輝等[2]采用的轉(zhuǎn)移矩陣法進(jìn)行氣柱固有頻率的計(jì)算。頻響函數(shù)法能有效避免轉(zhuǎn)移矩陣法遺漏氣柱某些階次固有頻率的現(xiàn)象[3]。使用商業(yè)數(shù)學(xué)軟件MATLAB編制程序計(jì)算得到氣柱固有頻率,將管系固有頻率和氣柱固有頻率分別與激發(fā)頻率比較。分析引起振動(dòng)的主要原因,提出針對(duì)性的措施。
2.1 激發(fā)頻率
往復(fù)式壓縮機(jī)的激發(fā)頻率[4]:
(1)
式中:m —?dú)飧鬃饔梅绞降囊粋€(gè)數(shù),當(dāng)單作用時(shí),m=1;當(dāng)雙作用時(shí), m=2;
n —壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速,r/min。
根據(jù)上式計(jì)算得該壓縮機(jī)站場(chǎng)工藝管道的激發(fā)頻率為382 Hz。
2.2 機(jī)械固有頻率
在管道應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ中建立管道模型,根據(jù)管道的實(shí)際情況設(shè)置管道的約束條件(圖1)。該壓縮機(jī)站場(chǎng)由于進(jìn)出口管系之間有一條旁通連接,因此在分析其管系固有頻率時(shí)建立了壓縮機(jī)區(qū)進(jìn)出口管系的整體模型。
圖1 管道振動(dòng)分析模型
Fig.1 The model of pipeline vibration analysis
使用該軟件的動(dòng)態(tài)分析模塊“Dynamic Analysis”計(jì)算出該管系的各階固有頻率(表1)。
由于激發(fā)頻率為382 Hz,因此激振頻率在管系的67階、68階固有頻率之間,較為接近68階,通過CAESAR Ⅱ的振動(dòng)仿真動(dòng)畫“Animation”可判斷,此時(shí)的共振形式為壓縮機(jī)出口管線臨近壓縮機(jī)出口直管段的拉伸和壓縮(67階),壓縮機(jī)進(jìn)口管線臨近進(jìn)口部分至管段的拉伸和壓縮(68階)、連接進(jìn)出口管線的旁通管在閥門附近的拉伸和壓縮(69階)。若現(xiàn)場(chǎng)的共振破壞區(qū)域在這些區(qū)域,則該管系的振動(dòng)破壞可能來源于機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的共振。
表1 管系固有頻率
Table 1 The natural frequency of pipeline system
階次 頻率/Hz 階次 頻率/Hz
64 326.900 69 389.264
65 336.839 70 392.201
66 341.394 71 398.320
67 344.223 72 399.762
68 387.039 73 413.505
這種情況下,可以采取減少?gòu)澒軘?shù)量,適當(dāng)增加支撐數(shù),減少兩支承間的跨度等措施,達(dá)到增加系統(tǒng)剛度的目的[5]。
2.3 氣柱固有頻率
工程上,管道系統(tǒng)氣柱固有頻率一直采用的轉(zhuǎn)移矩陣法(以下稱GTMM)進(jìn)行計(jì)算。但相比于以前采用傳遞矩陣法可能發(fā)生漏根的現(xiàn)象,本文采用的頻響函數(shù)法,能克服GTMM漏根的缺點(diǎn),計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。
任何復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)總是由管道的基本元件組成,可將其分成直管元件和集中阻力元件。一般來說,管系內(nèi)任一點(diǎn)的波動(dòng)情況是由該點(diǎn)的脈動(dòng)壓力P及脈動(dòng)質(zhì)量流量 確定。在簡(jiǎn)諧波動(dòng)情況下,假定任一元件進(jìn)出口兩端點(diǎn)i、j的壓力和脈動(dòng)質(zhì)量流量幅值分別為 、 、 、 。對(duì)于等截面管,由線性波動(dòng)理論可得管段進(jìn)出口處四個(gè)參數(shù)的關(guān)系為:
(2)
其中, (3)
式中: ; ; ; ;
R—管道沿程阻力系數(shù);
S—管道橫截面積,m2;
f—管道摩擦系數(shù);
D—管道內(nèi)徑,m;
a—介質(zhì)聲速,m/s;
u0—介質(zhì)平均流速,m/s;
w—激振圓頻率,rad/s。
KP為直管的單元?jiǎng)偠汝?。集中阻力原件的單元?jiǎng)偠汝嚍?/p>
(4)
式中: ;
—局部損失系數(shù)。
通過直管單元的單元?jiǎng)偠汝嚭图凶枇υ膭偠汝嚳善囱b出整個(gè)系統(tǒng)的總剛度陣 ,且
(5)
式中: P —節(jié)點(diǎn)壓力幅值, ;
E—外界流入結(jié)點(diǎn)的脈動(dòng)質(zhì)量流量幅值, 。
對(duì)相應(yīng)邊界結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理后,可以得到結(jié)點(diǎn)壓力P與外界流入體積質(zhì)量流量的關(guān)系:
(6)
當(dāng)E已知的情況下可以通過上式求得,
(7)
式中F為K的逆矩陣。其i行j列元素fij表示當(dāng)系統(tǒng)只在j結(jié)點(diǎn)有單位信號(hào)輸入(即脈動(dòng)質(zhì)量流量)時(shí)在i結(jié)點(diǎn)的輸出響應(yīng)(即脈動(dòng)壓力)。
剛度陣是圓頻率w的函數(shù),通過對(duì)w反復(fù)賦值,找到滿足條件的w值,這些值就是氣柱固有頻率。使用計(jì)算機(jī)可以很好的完成氣柱固有頻率的求解。
使用頻響函數(shù)法,在Matlab中進(jìn)行該壓縮機(jī)站氣柱固有頻率計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表2。
表2 氣柱固有頻率
Table 2 The natural frequency of air column
階次 頻率/Hz 階次 頻率/Hz
11 286.6630 15 394.1616
12 304.5795 16 429.9945
13 340.4123 17 447.9110
14 376.2452 18 483.7438
由于激振頻率為382 Hz,在氣柱固有頻率14、15階之間,發(fā)生氣柱共振的可能性不大。但應(yīng)考慮到計(jì)算氣柱固有頻率時(shí),剛度矩陣中的聲速受溫度影響,在溫度變化的情況下氣柱固有頻率可能與激振頻率接近。若現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)破壞的區(qū)域不在機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)分析的區(qū)域,振動(dòng)破壞原因應(yīng)考慮為氣柱共振。
這種情況下,應(yīng)針對(duì)管系進(jìn)行改造,如在破壞區(qū)域附近的彎頭應(yīng)盡量采用45°或大彎曲半徑彎頭,減少激振力的影響;考慮在壓縮機(jī)出\入口設(shè)置緩沖罐(視破壞區(qū)域選定)等。
3 結(jié) 論
通過本文提出的方法能對(duì)天然氣壓縮機(jī)站場(chǎng)工藝管道振動(dòng)情況進(jìn)行分析,診斷管道劇烈振動(dòng)或破壞的原因是來自于機(jī)械系統(tǒng)的共振還是來自于氣柱系統(tǒng)的共振,針對(duì)性的制定保護(hù)措施。本文的方法,在對(duì)氣柱固有頻率計(jì)算時(shí)使用了改進(jìn)的計(jì)算方法,比之以前使用的GTMM,規(guī)避了漏根的風(fēng)險(xiǎn),能更準(zhǔn)確的診斷管道振動(dòng)與氣柱固有頻率之間的關(guān)系,分析壓縮機(jī)站場(chǎng)工藝管道振動(dòng)原因。
在結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上,針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)共振和氣柱共振兩種不同的情況提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
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(上接第1689頁)
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