输气管道若干振动问题简析

输气管道若干振动问题简析中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司蔡峰峰河北省任丘市华北油田第一采油厂任北采油作业区毛玲摘要在石油、石化、天然气等行业中管道振动问题往往带来严重的安全生产隐患，使管道、管件等产生疲劳破坏，甚至威胁到设备安全。本文针对在实际工作中遇到的几个典型的振动案例，应力计算结果，结合CAESARII软件的动态分析模块，建立了数学模型，取得了振动模态及对分析、解决振动问题给出了可行的解决方案。关键词管道振动压力脉动CAESARII（3）固有频率管道振动的原因和机理1当激振力明确后，就需要确定管系的振动响应，振动响应就是与其相应的频率谐振（共振）。（1）管道振动的原因振动的周期或频率与初始条件无关，而与系统的从力学角度看，管道振动是特殊的机械运固有特性有关，称为固有频率。物体的固有频率动，也是典型的力学现象。工业管道系统是由与各种设备、装置相连的管道、容器、阀门、孔板与其硬度、质量、外形尺寸有关。当其发生形变时，弹力使其恢复。弹力主要与尺寸和硬度有等构成的复杂的机械结构系统。当受到随时间变化的激振力作用时，这个结构系统就有可能产生振动。从激振力的来源分析，压力管道的振动分为内因型和外因型。内因型是由转动、往复等设备关，质量影响其加速度。由此可见，管道的几何结构走向就决定了机械系统的固有频率，同时又会对气体的压力脉动产生影响。2应用CAESARII软件分析管道振动实例引起的机械振动、压力脉动、两相流脉动等；外因型是由地震、风载荷等外加载荷引起的振动。CAESARII是由美国COADE公司研发的基于有限元的压力管道应力分析软件。它既可以（2）共振管道振动时，分为两个并行的系统一个计算静态分析，也可进行动态分析。其动态分析是管道的机械结构系统，另一个则是与之对应的气柱系统。因此，共振也分为两类，一是气柱共振。管道系统内所容纳的气体称为气柱，因为气体可以压缩、膨胀，故可以看作一个类似弹簧的振动系统，它具有一系列的固有频率。包括防止管道系统共振的管道自振频率分析、防止气柱共振的往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析及控制压力脉动值的往复压缩机力脉动分析等。（泵）压天然气外输管线因气量调整引起的振动背景现象（1）1）当激发频率与固有频率相等或相近时，系统即产生共振；二是管道机械共振。由管子、管件和支架组成的管道本身也是一个弹性系统。管管线为净化气外输管线，发生振动管段位于净化气外输站进站收球筒入口处，管线规格为DN900，设计温度60，设计压力6MPAG。道系统根据配管情况及支撑的类型和位置，也会有一系列的固有频率，当激发频率与某阶固有频率相等或相近时，便发生管道的机械共振。2010年，随着外输气量从46104（NM3/H）增加至50104（NM3/H），外输站进站三通后部43201312总第487期机械工业标准化与质量质量与检测QUALITYANDDETECTIONDN600管线出现了明显的振动现象（见图1），A）因为调整产量时压力的波动，在弯头、管线上安装的温度计指针摆动频率较高，在振动的管线发出较大的噪声。并且存大小头、三通等处产生作用力，随时间变化产生的激振力；这些力为动态力原因分析B）温度计检测仪表附近的振动，是由于温2）由于现场管线出现了人眼可见的振动及噪度计及热电阻套筒插入过长形成长悬臂，刚性较音，可以判定是发生了管道系统的机械振动。鉴差，当输气量调整，气速提高后，在高速气流的于外输站上游没有振动源，且振动的发生与气量及输气压力产生了一定的相关性，分析得出两个可能产生激振力的原因冲击下形成了快速振动，产生激振力。当激振力引起的频率接近或等于管道系统的固有频率时，系统产生共振。温度表压力表压力变送器图1现场管道走向频率值，因此采取了改变管系固有频率的办法。软件分析3）笔者依据现场提供的参数建立了CAESARII分析模型，其配管走向及支撑情况如图2所示。通过模态计算，管系的前八阶固有频率如表1所示。根据GB503162000（2008版）工业通过增加固定支墩、导向支架、调整温度计套管插深等方法后，一阶固有频率提高到现场实施后反馈未再发生振动现象，7917HZ，证明改变系统固有频率后已避开了激振频率区。金属管道设计规范和SH/T30732004石（2）1）天然气外输管线再次发生的管壁共振油化工管道支吊架设计规范要求，装置区内管背景现象系的固有频率应该大于4HZ。此管系由于限制性2011年，随着外输气量从50104（NM3/H）支架不足，一阶固有频率只有275HZ，系统易增加至5558104（NM3/H），净化气外输站进于被激发，因此需要增加支架，提高系统固有频率。增大管系刚度，站三通后部与球阀之间的DN900管线出现了明显的颤动现象，低幅高频，显关联性，见表2。现场噪声与流量有明4）解决方案及反馈当激振频率靠近固有频率区间而引起管道系统机械振动时，有效的办法是调整激振频率使之避开固有频率区间。但鉴于现场条件，无法确定激振表2中Y为铅垂直方向，X为管线轴线方向，Z为径向方向。可见914三通后2米左右处Y向振动速度最大。44201312总第487期914三通机械工业标准化与质量QUALITYANDDETECTION质量与检测图2系统数字模型表1管系固有频率HZ表2现场振动测量数据业化量原因分析介质流态高度相关，振动传感器测量仪，因此赴现场采集数据，通过2）鉴于管系一阶固有频率已较大提高，且外输站区上游没有振动源，笔者认为振动与管道内的获得了详细的振动频率、幅值、时域响应谱等信息，增加了数字模型与现场45201312总第487期机械工标准与质序号位置方向振动速度MM/S1管线现场温度X1505062Y0705083Z5115214管线水平段管线X0203015Y5014234644466Z5715185549507管线弯头X2508132217198Y2207092524279Z661526202110914三通X0300311Y66298174646012Z62194513气动截断阀前1M处（6）Y0101010214914三通前4M处（5）Y6254494015914三通前2M处（4）Y6843322816914三通（3）Y1174646017914三通后2M处（2）Y37323320815318914三通后3M处（1）Y3330302219流量NM3/H55250854058754054020压力MPA484855049549048521D610103流速M/S122112115126611761188阶次12345678固有频率2752413760597410942498571544718624质量与检测QUALITYANDDETECTIONAB2ZAB2Y2AB1YAB2Z3AB1ZAB3Z1AB1Z4AB4Z图3DN900管线截面198HZ下振动模态实际状况的吻合程度。而与管道内部流体流态、管材本身刚度等特点经勘测，管道系统各点振动频率均为相关。初步认定由于提升产量等引起的压力脉198HZ时出现最大振幅，且为径向振幅，这不动，在DN900DN600的异径三通后至球阀关闭处盲端部分管道内产生气柱共振为激振频率，引发了管壁共振。应该是管道系统振动。因为管道系统的固有频率一般低频容易被激起，高频不易被激起，而且管道系统的不同位置，有频率应该不同。不同监测点，不同方向，固解决方案及反馈4）鉴于输送气体流态的复杂程度，只能定性地认定激振源是由于在一定的压力和气体流速下，软件分析3）笔者以现场取得的参数为依据，重新修正了在管道盲端处形成了一定的受迫振动，柱共振。而引起气CAESARII数据模型，使用模态分析方法，在198HZ附近发现了一种振动模态，如图3所示。而共振管长短、管径大小、管壁厚度以及管钢管截面不再是刚体而成为弹性变形体，径向振幅的特点与现场勘查结果一致。且产生线分支情况是决定产生气柱共振与否的重要因素。因此笔者给出的解决方案是图3中黑白圆点为钢管截面上振动贴片所测得的振动位移趋势的示意图。将阀门移至直接与异径三通相连处，最1）大限度缩短盲端管子的共振管长；2）增大共振管管径及异径三通直管管径；更换厚壁管。3）结论3目前，对于石化及天然气装置来说，管道振动问题还是个世界性的难题，它涉及到流体力学、固体力学、响应谱理论、时程分析等多种学科，有很强的随机性和偶然性，处理起来非常复杂和繁琐。根据美国ASMEB3132012加工管线标准，在管道设计之初是不需要做详细振动分析的，只需要满足一阶最低固有频率的要求（满足通过管架跨距），以及往复压缩机附近管系固有频率与脉动频率之比在08F/FH12范围之外即可。CAESARII软件的固有频率动态分析功能由刚体的定义可得1和2点的加速度AB1Y在1点和2点连线上的投影之和应该AB1Z，相等，所以1点有黑点的两个加速度在1和2连线上的投影之和应该等于2点两黑点的两个满足了分析准确性的要求，可以对管系结构振加速度在1和2两点连线上的投影之和，否则动进行定性分析。其模态化分析方法，可以在截面B就不是刚体了