输气管道若干振动问题简析

1、输气管道假设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 重的平安生 产隐患，使管道、 管件等产生疲劳破坏， 甚至威胁到设备平安。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 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CAESAR II3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

2、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

3、。 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 CAESAR II 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。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 那么 是 与 之 对 应的 气 柱 系 统 。 因 此 ， 共 振 也 分 为 两

4、 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11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

5、 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。2021 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432021.1

6、2 总 第 487 期机 械 工 业 标 准 化 与 质 量质量与检测Quality and DetectionDN600 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

7、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方法。软件分析3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 2021 版 ?工 业

8、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 ，7.917Hz，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/T 30732004 ? 石21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标准? 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2021 年， 随着外输气量从 50104 N m3/h支 架 不 足 ，一 阶 固 有 频 率 只 有 2.75Hz，系 统 易增 加 至 5558104 Nm

9、3/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 明显的颤抖现象， 低幅高频，显关联性， 见表 2。现场噪声与流量有明4解决方案及反应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， 有效的方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。442021.12 总 第 487 期914 三 通机 械 工 业 标

10、准 化 与 质 量Quality and Detection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452021.12 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X1.50.50.62Y0.70.50.83Z5.11.52.14管线水平段管线 X0.20.30.15Y5

11、.01.42.34.64.44.66Z5.71.51.85.54.95.07管 线 弯 头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气 动 截 断 阀 前 1m 处 6Y0.10.10.10.214914 三 通 前 4m 处 5Y6.25.44.94.015914 三 通 前 2m 处 4Y6.84.33.22.816914 三 通 3Y1.17.46.46.017914 三 通 后 2m 处 2Y37.323.320.

12、815.318914 三 通 后 3m 处 1Y3.33.03.02.219流 量 Nm3/h55.250.854.058.754.054.020压 力 MPa4.84.855.04.954.904.8521D6 1010.3 流 速 m/s12.211.211.512.6611.7611.88阶 次12345678固 有 频 率2.7524.1376.0597.4109.4249.85715.44718.624质量与检测Quality and DetectionaB2Z aB2Y2aB1Y-aB2Z3aB1Z aB3Z1-aB1Z4aB4Z图 3 DN900 管线截面 198Hz 下振动模态

13、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

14、不同。不同监测点，不同方向，固解决方案及 反应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。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

15、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 ASME B31.3-2021?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

16、 0.8f/fh1.2 范围之 外即可。CAESAR II 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 那么动 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 。 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