[打印] [關(guān)閉] 發(fā)布時間：[2010-01-11 00:00]

往復(fù)壓縮機(jī)管道振動對天然氣集輸裝置的安全運(yùn)行是一個不可忽視的隱患，強(qiáng)烈的振動會使管道本身以及與之相連的構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞，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[1]。而引起管道振動的原因往往很復(fù)雜，只有通過正確診斷，找出振動的原因，才能有效地采取減振措施，消除隱患。因此分析其振動特點(diǎn)和原因及消振措施十分必要。

目前國內(nèi)外對管道振動問題進(jìn)行了大量的研究，并解決了很多工程實(shí)際問題[2-6]。但往往在振動分析中，沒有將復(fù)雜管路作為一個整體來考慮，僅對局部管路進(jìn)行分析，結(jié)果常常出現(xiàn)振動轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[7-9]；而且對工況的變化及其影響也缺乏研究，不能有效預(yù)測工況變化時的振動變化趨勢。本文針對新疆某油田天然氣增壓壓縮機(jī)管道的實(shí)際振動問題，將其管道作為一個完整的系統(tǒng)，并充分考慮了各種工況的影響，依據(jù)結(jié)構(gòu)振動理論，采用美國CODEN公司的專用軟件CAESARII[10]對該管道系統(tǒng)在改造前后的振動特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)對比和分析，提出了具體的減振措施，并通過模擬計(jì)算和現(xiàn)場測試對減振效果進(jìn)行了評價。

管系及壓縮機(jī)基本情況

該天然氣增壓系統(tǒng)壓縮機(jī)共有三臺：型號為DPC-2804，三臺壓縮機(jī)均為120度三列對置式雙作用壓縮機(jī)。正常工作時，兩臺運(yùn)轉(zhuǎn)，一臺備用。壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍較大，從265rpm到440rpm。壓縮機(jī)管道系統(tǒng)為：氣體先從進(jìn)口總分離器經(jīng)進(jìn)氣總管路進(jìn)入三臺壓縮機(jī)的進(jìn)氣分支管路（其中2臺運(yùn)行，1臺停止），經(jīng)過三級壓縮機(jī)壓縮后，經(jīng)相應(yīng)的排氣分支管路進(jìn)入排氣總管路，再進(jìn)入管網(wǎng)。在運(yùn)行了一段時間以后，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)進(jìn)氣總管線出現(xiàn)振動，在壓縮機(jī)進(jìn)口分離器出口管路及分離器放空管線處振幅較大，并有部分管架發(fā)生振動。考慮到氣流脈動和管道振動對整個管網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在進(jìn)、排氣管路，其中進(jìn)氣管路的振動現(xiàn)象明顯，因此，本文主要對該壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的進(jìn)氣管路進(jìn)行分析。

管道振動分析

管道系統(tǒng)是一個連續(xù)的彈性體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)管道時，除計(jì)算管道內(nèi)氣體的氣柱固有頻率和壓力脈動外，還必須對管系的結(jié)構(gòu)固有頻率和管道振動響應(yīng)進(jìn)行分析和計(jì)算。對該天然氣壓縮機(jī)管系的振動分析，包括兩方面的內(nèi)容：（1）模態(tài)分析，即管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有頻率的計(jì)算及振型分析[11]；（2）激發(fā)響應(yīng)分析，即分析在氣流脈動激發(fā)力作用下的管道受迫響應(yīng)振動情況。

1、管道振動分析計(jì)算模型及邊界條件

該吸氣管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動分析模型如圖1所示。其中，三臺壓縮機(jī)分別簡化為自由度完全約束的支撐點(diǎn)， 即假設(shè)壓縮機(jī)本身是一個質(zhì)量為零的剛體連接著管道的進(jìn)、排氣口；閥門及法蘭按其相應(yīng)質(zhì)量的剛性單元處理；對于承重支承，在豎直方向添加+ Y方向的自由度；管道系統(tǒng)中的管卡結(jié)點(diǎn)，限制與管子軸向相垂直的四個方向的自由度；分離器底部固定處施加固支邊界；管路與分離器、緩沖器外殼的接口設(shè)為管口結(jié)點(diǎn)，并按一定的焊接壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，校核其管口應(yīng)力值。

2、管道結(jié)構(gòu)固有頻率

利用CAESARII對圖1所示的管道模型進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出該管道系統(tǒng)前10階的固有頻率h如表1所示。從該表看出，低階固有頻率比較密集，第1階的固有頻率只有2.619Hz。系統(tǒng)固有頻率整體偏低，說明管道系統(tǒng)剛性較差。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為265rpm～440rpm，激發(fā)力基頻為4.417Hz～7.333Hz。由于是雙作用，故主頻率為8.834Hz～14.666Hz。而管道系統(tǒng)前10階的固有頻率范圍為2.619Hz～15.736Hz，大多處在主激發(fā)頻率范圍內(nèi)，很容易發(fā)生低階共振現(xiàn)象，因此需要提高最低階固有頻率。

3、低階固有頻率對應(yīng)的振型

該管道系統(tǒng)的前3階固有頻率對應(yīng)的振型如圖2-圖4所示。從各低階振型圖可以

看出，最大的振動位移主要發(fā)生在分離器出口彎管處和分離器放空管線處，這

與實(shí)際觀察和測量到的壓縮機(jī)在375rpm～420rpm運(yùn)行時引起的振動現(xiàn)象一致。

4、激發(fā)響應(yīng)計(jì)算
利用CAESARII對圖1所示的模型計(jì)算了在壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不同激振頻率下

的振動位移情況。管道系統(tǒng)所受的激振力，根據(jù)氣流脈動計(jì)算結(jié)果，作為集中

載荷添加到各個受力結(jié)點(diǎn)。對應(yīng)氣流脈動幅值最大的激振頻率下（12.8Hz，轉(zhuǎn)

速385rpm）的響應(yīng)振動位移情況如圖5所示。出現(xiàn)的最大振動位移發(fā)生在分離器

出口彎管處和壓縮機(jī)進(jìn)氣分支管道上，分別為0.393mm和0.157mm。在現(xiàn)場實(shí)測

中，壓縮機(jī)在375rpm～420rpm運(yùn)行時，分離器出口處實(shí)際振幅值為0.4mm。

管道系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過對改造前系統(tǒng)管道振動的分析，找出發(fā)生大幅度振動的主要原因，為此，

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際布置情況，在管道結(jié)構(gòu)上作了以下調(diào)整：

（1）在進(jìn)氣總管和分支管路之間增加直徑為610mm的匯管，對氣流起緩沖作用

，減小管段內(nèi)的氣流脈動，從而減少動應(yīng)力；

（2）將立式進(jìn)氣分離器改為臥式放置，降低了分離器出口管線的高度，由原來

的6米降為4.3米；

（3）與匯管連接的分支管路的高度從原來的1.9米降到了0.6米，增強(qiáng)穩(wěn)定性；

改造后管道振動分析

1、改造后管道結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì)算

利用CAESARII對圖6所示的管道模型進(jìn)行模態(tài)了分析，改造后固有頻率的計(jì)算結(jié)

果如圖7所示。與改造前相比，管道系統(tǒng)剛性明顯增強(qiáng)，最低階固有頻率從

2.6Hz提高到了12.2Hz，而且低階固有頻率不再密集，基本錯開了激發(fā)頻率的前

幾階，從各階的模態(tài)振型分析可看出，低階共振現(xiàn)象基本消失。

2、改造后激發(fā)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

對改造后管道系統(tǒng)在不同激發(fā)頻率下的響應(yīng)振動進(jìn)行了計(jì)算，圖8為改造后管道

在激振頻（13.33Hz，轉(zhuǎn)速400rpm）下的響應(yīng)振動位移情況。如圖所示，最大振

動位移發(fā)生在壓縮機(jī)進(jìn)氣分支管道上，幅值降為0.117mm，大部分節(jié)點(diǎn)的振幅都

在0.1mm以下，而且在分離器出口處振動已消除。

改造前由于分離器出口管線及壓縮機(jī)分支管路的高度較高，管系剛性較差，結(jié)

構(gòu)固有頻率偏低，大多落在了主激發(fā)頻率范圍之內(nèi)，所以振動現(xiàn)象嚴(yán)重。改造

后，使管道固有頻率整體有較大提高，避免了低階共振，振動幅值明顯降低。

實(shí)測結(jié)果

經(jīng)過采用以上綜合調(diào)整措施后，整個管線的振幅大大降低，結(jié)果如表2所示。壓

縮機(jī)在各種工況下運(yùn)行時，整個管線的振幅都控制在遠(yuǎn)低于0.4mm以下，大部分

情況都低于0.1mm。

結(jié)論

（1）振動分析確認(rèn)改造前管系的振動是由于管系結(jié)構(gòu)頻率偏低，而且比較密集

，大多處在主激發(fā)頻率范圍內(nèi)，因此很容易發(fā)生低階共振現(xiàn)象。分析結(jié)果與實(shí)

際振動現(xiàn)象一致。

（2）改造后管系振動結(jié)構(gòu)發(fā)生本質(zhì)改變，剛度顯著加強(qiáng)，第1階結(jié)構(gòu)固有頻率

從2.6Hz提高到12.2Hz，而且跨度較大，有效地避開了低階結(jié)構(gòu)共振；

（3）改造后管系振動幅值明顯降低，整個管路中最大振幅值降為0.117mm，而

且振動位置發(fā)生了改變，減振效果明顯，與實(shí)測結(jié)果吻合。