高德潔 王鑫 齊保坤
(1.中國石油天然氣管道工程有限公司天津分公司,天津300457;2.天津市大和勞務服務有限責任公司,天津300457;3.海洋石油工程股份有限公司,天津300457)
通常油氣管道項目在設計階段,僅對往復壓縮機進行振動分析,但一些在役離心泵進出口管道也會發(fā)生振動。本文建立不同CAESAR II 模型,通過對不同模型進行模態(tài)分析,并結合某油庫項目對管道安裝進行優(yōu)化的實例,找出影響管道頻率的關鍵因素。
排除離心泵自身問題,及安裝施工問題,本文僅考慮固有頻率對油氣管道振動的影響。由于油氣介質固有頻率一般在0-1Hz之間,且振幅很大,如管道與油氣介質產(chǎn)生共振,破壞力很大,為防止機械共振,要控制管道固有頻率避開0-1Hz,應盡量控制到不低于3Hz。分析不同因素對管道固有頻率的影響,以便有針對性調(diào)整管道固有頻率,減小管道振動。
建立不同跨距,不同彎頭數(shù),不同支撐形式的Caesar II 模型,分析管道固有頻率的影響因素。
分別建立跨距為24m,12m,6m的管道模型,對其進行模態(tài)分析。通過模態(tài)分析,可以得出跨距為24m,12m,6m 的管道第一階頻率分別為1.469Hz,1.614Hz,1.672Hz;第二階頻率分別為1.487Hz,1.676Hz,1.777Hz;第 三 階 頻 率 分 別 為2.382Hz,2.620Hz,3.176Hz;第 四 階 頻 率 分 別 為2.480Hz,2.981Hz,3.661Hz。
由此得出跨距越小,管道的固有頻率越大。適當減小跨距,可以提高管道的固有頻率,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
分別建立彎頭個數(shù)為2個,4個,6個的管道模型,對其進行模態(tài)分析。
通過模態(tài)分析,可以得出彎頭個數(shù)為2個,4個,6個的管道第一階頻率分別為2.258Hz,2.541Hz,2.600Hz;第二階頻率分別為3.115Hz,3.388Hz,3.309Hz;第 三 階 頻 率 分 別 為4.104Hz,5.144Hz,4.538Hz;第 四 階 頻 率 分 別 為9.148Hz,5.782Hz,6.067Hz。
由此,可以得出彎頭個數(shù)越多,管道頻率越低??梢赃m當減小彎頭個數(shù),來提高管道的固有頻率。
分別建立支撐全為滑動,全為導向,全為管卡的管道模型,對其進行模態(tài)分析。
通過模態(tài)分析,可以得出支撐全為滑動,全為導向,全為管卡的管道第一階頻率分別為2.258Hz,23.227Hz,30.465Hz;第二階頻率分別為3.115Hz,31.402Hz,38.074Hz;第三階頻率分別為4.104Hz,38.311Hz,41.896Hz;第 四 階 頻 率 分 別 為9.148Hz,50.425Hz,61.521Hz。
由此,全管卡約束管道時,固有頻率最大;全導向約束時,固有頻率次之;全滑動約束時,固有頻率最小。
綜上,可以得出支撐形式對管道固有頻率影響最大,當管道固有頻率需大幅度增大時,改變管道支撐形式,最為簡單有效。
某油庫泵區(qū)三臺正在運行的泵進出口匯管上平臺后,平臺上管道振動比較嚴重,對其管道進行模態(tài)分析,以便通過較小改動,來減小管道的振動。具體管道參數(shù)如表1所示。
表1 管道參數(shù)表
圖1 泵進出口管道CAESAR II模型
參見圖1,通過模態(tài)分析可以得出,第一階頻率為0.177Hz,第二階頻率為0.250Hz,第三階頻率為0.644Hz,第四階頻率為0.898Hz。前四階頻率很低,均小于1HZ。
第一、二階固有頻率對應的振型與現(xiàn)場觀察到的管道振動特征相吻合,振幅較大的位置出現(xiàn)在管網(wǎng)及平臺上。進而對管網(wǎng)和平臺上的管道進行加固,將滑動管托更換為導向管托再次進行模態(tài)分析。
加固后,第一階頻率為3.557Hz,第二階頻率為4.058Hz,第三階頻率為4.961Hz,第四階頻率為5.491Hz。圖2 是加固前后管道前4階頻率等對比圖。
圖2 加固前后管道前4階頻率對比圖
對比未加固之前的泵進出口管道,其前4 階頻率有了明顯的增加,管道的一階頻率已由加固前的0.177Hz 增加到加固后的3.557Hz,增長幅度為20 倍;且前四階頻率均大于3Hz,按照理論是可以有效避免機械共振的產(chǎn)生的振動。通過現(xiàn)場反饋,按照此辦法調(diào)整支撐,確實振動情況減輕。
表2 調(diào)整模型前后的一次、二次應力對比表
從表2可以看出,頻率增大的同時,二次應力比例從18.7%升高至69.9%,可以滿足ASME B31.3要求,但大幅度提高,需引起注意,且不經(jīng)過模態(tài)分析,不可以在現(xiàn)場隨意增加限位支撐。
通過對管道進行模態(tài)分析,得出改變支撐形式的方式,可以提高管道的固有頻率,以減小管道的振動,但與此同時,導致管道柔性變差,管道二次應力增加,不經(jīng)過模態(tài)分析不可以現(xiàn)場隨意改變支撐形式,容易造成二次應力超過標準要求,引起管道的破壞。