输气管道若干振动问题简析

1、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口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口毛玲摘 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.结合caesar ii软件的动态分析模块，建立了数学模型，取得了振动模态及 应力计算结果对分析、解决振动问题给出了可行的解决方案，尖键词caesar ii管道振动压力脉动机械工业标准化与质量2oo.12 泊牆 487梦1管道振动的原因和机理1；管道振动的原因从力学角度看，管道振动是特殊的机械运 动.也

2、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 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 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，2!共振管道振动时.分为两个并行的系统：一个 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，一是经 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，故可以看作一个芙 似弹簧的振动系统.它具有一系列的固有频率

3、 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 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固有频率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(共振人 振动的周期或频率与初始条件无尖.而与系统的 固有特性有尖.称为固有频率物体的固有频率 与其硬度、质量' 外形尺寸有尖,当其发生形变 时，弹力使其恢复，弹力主要与尺寸和硬度有 尖.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

4、 会对气体的压力脉动产生影响：2应用caesar ii软件分析管道振动实例caesar ii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 计算静态分析也可进行动态分析其动态分析 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(泵)压 力脉动分析等(1)天然气外输管线因气量调整引起的振动1) 背景现象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°c ,设计压力6mpag 2010年，随着外输气量从46x104 (nm3/h)增

5、 加至50x104 (nm3/h).外输站进站三通后部机械工业标准化与质量dn600管线出现了明显的振动现象（见图1）, 管线上安装的温度计指针摆动频率较高.并且存 在振动的管线发出较大的噪声。2）原因分析由于现场管线出现了人眼可见的振动及噪 音可以判定是发生了管道系统的机械振动，鉴 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尖性.分析得出两个 可能产生激振力的原因：aj因为调整产量时压力的波动.在弯头、 大小头、三通等处产生作用力，这些力为动态力 随时间变化产生的激振力；b）温度计检测仪表附近的振动.是由于温 度计及热电阻套筒插入过长形成长悬臂刚性较 差.当输气量调

6、整.气速提高后.在高速气流的 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3/i/ - jj - - .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3-软件分析笔者依据现场提供的参数建立了 caesar ii 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 gb 503162000 q008 版）（工业 金属管道设计规范）和shft30732004 （石 油化工管道支吊架设计规范）要求.装置区内管 系的固有频率应该大于4hz此管系由于限制性 支架不足.一阶固有

7、频率只有2.75hz系统易 于被激发，因此需要增加支架，增大管系刚度. 提高系统固有频率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 7.917hz现场实施后反馈未再发生振动现象 证明改变系统固有频率后已避幵了激振频率区天然气外输管线再次发生的管壁共振1）背景现象2011年 随着外输气量从50x104 :n m3/h： 增加至55-58x104 inm3/h）,净化气外输站进 站三通后部与球阀之间的dn900管线出

8、现了明 显的颤动现象.低幅高频现场噪声与流量有明 显尖联性.见表2表2中丫为铅垂直方向.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：图2系统数丫模熨阶次12345678固有频率2.7524.1376.0597.4109.4249.85715.44718.624表1管系固有频率hz序号位曽方向振动速度mm/s1管线现场温度x1.50.50.62y0.70.50.83z5.11.52.14管线水平段管线x0.20.30.15y5.01.42.34.64.44.66z5.71.51.85.54.95.07管线弯头x2.50.81.32.21.71.98y2.20

9、.70.92.52.42.79z6.61.52.62.02.110914三通x0.300.311y6.62.98.17.46.46.012z6.21.94.513气动截断阀前1m处（6）y0.10.10.10.214914三通前4m处y6.25.44.94.015914三通前2m处y6.84.33.22.816914三通（3!y1.17.46.46.017914三通后2m处y37.323.320.815.318914三通后3m处y3.33.03.02.219流呈 nnwh55.250.854.058.754.054.020压力 mpa4.84.855.04.954.904.8521d6 10x

10、10.3 流速 m/s12.211.211.512.6611.7611.88表2现场振动测呈数据机械工业标准化与质最2）原因分析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介质流态高度相尖.因此赴现场采集数据，通过 振动传感器测量仪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2oo.12 泊牆 487梦机械工业标准化与质量实际状况的吻合程度。经勘测，管道系统各点振动频率均为 198hz时出现最大振幅，且为径向振幅，这不 应该是管道系统振动因为管道系统的固有频率 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.不同监测点，

11、不同方向.固 有频率应该不同3）软件分析笔者以现场取得的参数为依据，重新修正了 caesar ii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, 钢管截面不再是刚体而成为弹性变形体.且产生 径向振幅的特点与现场勘查结果一致。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:图3 dn9（x）1t线截而198hz卜联动模态由刚体的定义可得：1和2点的加速度 ablz abn在1点和2点连线上的投影之和应该 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 加速度在1和2两点连线上的投影之和，否则 截面b就不是刚体了

12、，振动有很多模态，图3 所发生的振动就是198hz的一个模态。综上所述，笔者判断此次发生的低幅高频 振动属于比较罕见的管壁振动管壁产生的低 幅高频振动，与管道结构走向等无太大尖系. 而与管道内部流体流态' 管材本身刚度等特点 相尖初步认定由于提升产量等引起的压力脉 动在dn900xdn600的异径三通后至球阀尖 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。4）解决方案及反馈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. 在管道盲端处形成了一定的受迫振动，而引起气 柱共振：而共振管长短、管径大小、管壁厚度以及管 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：1）将阀门移至直接与异径三通相连处，最 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；3）更换厚壁管。3结论目前.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asme b31.3-2012 （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