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1、2 0 1 5 年 第4 期管道技术5P i p e l i n e7 I e c h n i q u ea n d2 0 1 5N o 4基于C A E S A R 的往复压缩机管道振动分析周峤，吴新果 ( 新疆石油勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐8 姗2 6 )摘要：为提高往复压缩机管道系统的安全性、稳定性，从设计阶段对往复压缩机管道系统的防振设计方法进行研究，利用基于有限元方法的管道应力分析软件c A E s A R ，对往复压缩机管道系统模型的固有频率进行了分析，提出管道系统优化设计方案。将分析方法应用于实际项目，对工程中往复压缩机管道系统进行建模和求解，解决实际工程中管道系统振动问题，同
2、时证明分析方法的合理性。关键词：C A E s A R ；往复压缩机；振动分析；管道；固有频率中图分类号：T E 9 7 4文献标识码：A文章编号：1 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 0 1 5 ) 0 4 一0 0 1 3 0 2v i b r a 舫o nA n a l y s i so fl k c i p r o c a t i n gC o m p r e s s o rP i p e l i n eB a s e do nC A E S A R Z H O UQ i a o ，W UX i n g u o( 】i 【i 川i 蛐gP e t r o I e 啪I v 姻廿g a
3、 廿蚰D e s i 印柚dR 鹤翰r c hI 璐t i t u t e ，U m m q i8 3 2 6 ，C h i n a )A k 出翟c t ：I no r d e rt oi m p m v et l l es a f b t ya n ds t a b i l i t yo fr e c i p m c a t i n gc o m p r e s s o rp i p i n gs y s t e m ，t h ea n t i V i b m t i o nd e s i g nI n e t l l o do fr e c i p r o c a t i n gc o
4、m p r e s s o rp i p i n gs y s t e mw 酗s t u d i e dd u r i n gt h ed e s i g ns t a g eu s i n gt h ep i p e l i n es t r e s sa n a l y s i ss o f t w a r eC A E S A R w h i c hw 鹊b 鹬e do n 山ef i n i t ee l e m e mm e t h o d 7 I h en a t u r 丑lf I e q u e n c yo ft h er e c i p m c a t i n gc o
5、m p r e s s o rp i p i n gs y s t e mm o d e lw 鹊a n a l y z e d ，a n dt I l eo p t i m a ld e s i g n0 fp i p e l i n es y s t e mw a sp u tf o r w 盯d T h ea I l a l y s i sm e t h o dw a s 印p l i e dt ot h ea c t u a lp m j e e t ，蚰dm o d e l i I l g 觚ds o l v i n gf o rr e c i p r o c a t i n gc
6、o I n p r e s s o rp i p e l i n es y s t e mw a sm a d e ，t h u ss o l v i n gt h ep i p e l i n es y s t e mV i b m t i o np r o b l e m si ne n 舀n e e r i n g 觚dp m v i n gt h em t i o n a l i t yo f 粕a l y s i sm e t h o d K e y 啪r d s ：C A E S A R ；r e c i p m c a t i n gc o m p r e s s o r ；v
7、i b r a t i o n 锄a l y s i s ；p i p e l i n e ；n a t u r a lf r e q u e n c y0 引言为保证振动分析顺利通过，需要从设计阶段开始对往复压缩机管道的防振设计方法进行研究，使用基于有限元方法的管道应力分析软件C A E s A R 对管道设计结果进行计算与调整，以保证后期工作的顺利进行，并最终保证往复压缩机高效、稳定的运行1 。1 往复压缩机管道防振设计方法1 1防振设计的步骤对于往复压缩机管道振动的控制，主要参考A P I6 1 8 石油化工和天然气工业用往复式压缩机。由于往复压缩机管道的振动控制与压缩机自身设计、缓冲罐
8、大小等因素直接相关，所以根据A P I6 1 8的规定，往复压缩机管道的振动控制应主要由压缩机制造厂负责。管道设计人员在完成配管设计后，应将管道的布置、管道支撑的设置等设计方案提交厂家进行确认，由厂家按A P I6 1 8 中的规定的分析设计方法进行分析认可旧1 。收稿日期：2 0 1 4 1 1 一1 3收修改稿日期：2 0 1 5 0 2 2 41 2 防振设计中应注意的问题1 2 1管道布置对于往复压缩机管道，在进行管道布置时应尽量沿地面敷设。这样有利于管道支撑，一旦在机器运行时出现管道振动问题，也比较容易进一步设置支架和采取减振措施。在进行管道布置时还应尽量减少弯头的数量，以减少激振力
9、的作用。1 2 2 管道支撑形式往复压缩机管道的支撑应采用防振管卡或固定支架，不能采用简单支托，更不能采用吊架。为了增大管卡与管道之间的接触面积，使管卡能够卡紧，防振管卡应尽量采用扁钢，不宜采用圆钢，并且在管卡与管道之间应衬以石棉橡胶垫。如果采用带有管托的防振管卡，则管托应与其生根部位焊接，不能简单放置。防振支架的间距和位置应经过管系固有频率分析后确定。1 2 3 管系固有频率管系固有频率分析的目的，是通过调整管系的固有频率使其避开压缩机的激振频率，从而避免管道发生机械共振。在调整固有频率避开激振频率共振区万方数据1 4P i p e l i n eT e c h n i q u ea n d
10、E q u i p m e n tJ u l 2 0 1 5的同时，应保证管系的最低阶固有频率不低于8H z ，这是为了保证管系具有基本的刚度。如果管系基频过低，即使避开了激振频率，管系受到激振力的作用仍可能产生振动。分析中，宜将管系固有频率控制在压缩机激振频率的1 2 倍以上”。2 振动分析实例2 1 建立模型和处理边界条件某天然气外输处理站项目中有4 台往复压缩机，根据设计参数，使用应力分析软件c A E s A R 对4 台压缩机进排气管系进行模拟，管系模型如图l 所示。图1 压缩机进排气管系模型管系模型边界条件的确定主要包括压缩机进排气管线端部模拟以及管道防振管卡的模拟。为使模型更加精
11、确，计算数值更加准确，压缩机进气管线端部模拟到进气分离缓冲罐管嘴处，排气管线端部模拟到空冷器出口法兰处，并使用全约束对压缩机进排气端部进行力学简化模拟。管道防振管卡的主要作用是限制管道在水平和竖直方向的位移，从而达到降低管道振动的目的。对于防振管卡的模拟，主要使用c A E s A R 中水平和竖直方向的约束，并使用轴向的摩擦力约束精确模拟。一般在设计管道防振管卡时，为使管卡与管道包围更紧密且不对管道产生破坏，通常采用在管卡内垫入橡胶板的方法，如图2 所示。图2防振管卡设计大样图在使用c A E s A RI I 进行模拟时，将管道在防振管卡节点处添加水平和竖直方向的全约束，然后在轴向添加约束
12、并填写摩擦系数，橡胶对钢的摩擦系数取0 4 。需要注意的是，当考虑摩擦力时，约束具有非线性性质，需要反复迭代才能得到最终结果。图3 为防振管卡在C A E S A R 中的模拟。N o d e ：2 6 0C N 供k ：一一3 = ：= 2 n 佛：臣- j6 筇=一一一1 S 皤：|M 毛N o d e ：，2 6 0T 坤e ：i ZS 虢；N o d 苣 2 印T 捧e ：i S I * ：a N k ：；V - Ga p = M “c N o d E lvG 掣4M u 0 4 0 0图3 防振管卡在C A E S A R 中的模拟2 2 管系固有频率分析管系固有频率分析的目的是通过
13、调整固有频率使其避开压缩机激振频率的共振区，从而防止管道发生机械共振。该项目中往复压缩机曲轴转速均为10 0 0r m i n ，汽缸为双作用方式，故其激振频率可以用式( 1 ) 计算：正。= 嚣( 1 )式中i f ，为激振频率，H z ；m 为压缩机汽缸作用方式，单作用时m = 1 ，双作用时m = 2 ；n 为压缩机曲轴转速，r m i n o经计算，压缩机激振频率为3 3 3H z 。通常取o 阢。1 2 正。作为共振区，故压缩机进排气管系的固有频率应该避开2 6 6 4 3 9 9 6H z ，且宜大于4 0H z 。在进行动态应力分析之前，必须保证管系通过静态应力分析。c A E
14、s A R 提供了多种动态分析功能，包括模态分析、谐波振动分析、响应谱分析、时间历程分析等，其中最常用的是模态分析。使用模态分析功能计算得出管系固有频率结果，如图4 所示。由图4 可以看出，3 阶及3 阶以上频率均已大于4 0H z ，需要调整的只有1 阶、2 阶频率。从振型模拟中可以看出，1 阶、2 阶频率出现位置均为进气管线阀门处，尝试使用改进措施，在阀门附近添加一处防振管卡约束，如图5 所示。重新进行管道固有频率分析，改进后l 阶、2 阶频率均大于4 0H z ，满足防振要求。( 下转第3 5 页)万方数据第4 期牟义慧等：埋地管道穿墙套管渗漏防治对策3 5纹管补偿元件，由于波纹管尺寸规
15、格已按内径标准系列化，所以根据标准选取即可。最后，根据墙体材料和厚度确定套管直管段长度。对于钢制井，取消套管的直管段和止水板，弹性补偿元件直接焊接在钢制井井壁，外表面易腐蚀的部位采取与管道同等级的防腐处理；对于钢筋混凝土井，按照规范要求的施工方法和顺序安装套管的直管段和止水板HJ ，弹性补偿元件焊接在管道和套管直管段，外表面易腐蚀的部位采取与管道同等级的防腐处理j 。在安装过程中，根据管道的伸缩量和波纹管的补偿量确定波纹管的预压缩量。由于地下水的压强远远小于钢制波纹管的耐压强度，因此，地下水对弹性补偿式管道穿墙套管的压力可以忽略不计。经过4 年的运行，阀门井中管道穿墙部位干燥无渗水，没有发生开
16、裂和泄漏的现象，运行可靠，效果显著，达到了零渗漏。传统的油麻水泥穿墙套管一般运行1 2 年即发生渗漏现象。5 j 。封闭弹性补偿式管道穿墙套管能够防水、防腐蚀，补偿管道和阀门井位移，从而保护管线、阀门。4 结束语该技术的经济效益主要包括：避免了由于腐蚀和泄漏造成的资源损失，尤其是水资源的损失；保护了阀门井内的管线和阀门，延长了设备的使用寿命；防止由于有毒有害介质( 主要是地下污水管线中的污水) 泄漏污染地下水，保护了地下水环境。另外，该技术不仅可以应用于工业领域，也可以应用于民用领域。参考文献： 1 牟义慧封闭弹性补偿式管道穿墙套管：中国，z L2 0 0 8 2 0 0 1 5 3 2 0
17、4 2 0 0 9 0 6 0 3 2 姜茜，张丽莉浅谈热力管道系统补偿器的快速计算方法现代经济信息，2 0 1 0 ( 5 ) ：2 卜2 2 3 张兆侠直埋热水供热管道敷设方式的探讨煤气与热力，2 0 0 9 ( 1 0 ) ：3 0 3 1 4 G B5 0 2 6 8 2 0 0 8 给水排水管道工程施工及验收规范 5 陈翔，李振申地下室穿墙套管防水施工方法建筑工人，2 0 0 8 ( 4 ) ：3 3 3 5 6 李娜供热直埋敷设管道受力计算与分析： 学位论文 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 0 7 作者简介：牟义慧( 1 9 7 3 一) ，硕士研究生，从事工程项目建设管理工作。E
18、 m a i l ：e r w i n 3 1 2 1 2 6 c o m( 上接第1 4 页) 眦U 从L 豫鞠V 翻叮姗耵m z )氓d i 砧，S c )6 t c ) 此F 髓口璁辩YF 瑚U 蕊YP 既1 0 Dl2 l 鲫1 3 7 0 2 90 0 4 622 1 8 1 31 3 T 0 5 6O O 63复强曰M 6 0 0 1 0Il 3 巧咖9 4 l0 咖5l 3 T S啪售1 20 96l 毖2 6 2 6 l0 0 D 9T1 Z 眨6 2 6 10 a 口981 1 2 2 1 3T 联；TO a g1 1 2 2 1 37 0 5 0 S TO 嘎挎1 01 3
19、 5 98 4 9 9 趁O T图4 管系固有频率分析结果图5 模型固有频率分析及改进措施 3 结论往复压缩机的振动分析主要应由压缩机制造厂负责，配管设计人员完成管道设计后，应将管道的布 置、支架的设置等提交厂家进行分析确认。配管设计 人员的主要任务是在设计过程中对管系施加恰当的 约束以调整管系固有频率，使之不与压缩机激振频率 重合，避免管道发生机械共振。为达到这一目的，在设计过程中应该注意以下几个问题： ( 1 ) 在重要管段应尽量减少弯头的数量，以减少激振力的作用。 ( 2 ) 在管卡与管道之间应衬以石棉橡胶垫，使管 道在径向不能有任何空隙，但应允许管道在轴向有位移的可能。 ( 3 ) 通
20、过对管道进行固有频率分析，调整防振管 卡或其他约束的位置。防振管卡或约束要尽量靠近 弯头、异径管等激振力作用较大的部位。 ( 4 ) 在管道的布置上，有质量集中的部位，如较大 阀门、法兰的部位应该注意支撑，即使对于管径小的管线，也要避免长距离无支撑或悬挂情况的存在。参考文献： 1 唐永进压力管道应力分析北京：中国石化出版社，2 0 1 0 ：1 l 一2 4 2 A P I6 1 8 石油化工和天然气工业用往复式压缩机 3 唐永进往复压缩机管道的防振设计石油化工设备技术，2 0 0 1 ( 3 ) ：3 5 3 8 作者简介：周峤( 1 9 8 7 一) ，助理工程师，主要从事油气储运方面的研究工作。E m a i l ：d o l 5 7 3 5 0 1 2 6 c o m万方数据