王高杰 李慧芳* 盧敬田 王傳志 錢才富

(1.北京化工大學 機電工程學院,北京 100029;2.中國石化燕山分公司合成樹脂廠,北京 102500;3.北京燕華工程建設有限公司,北京 102502)

引 言

對于壓縮機進出口管道而言,常常會由于壓縮機動平衡不達標或者管道內氣流脈動過大引起管道的振動。強烈的管道振動會導致管道及其附件產(chǎn)生疲勞失效,輕則致使管內氣體泄漏,重則將會造成火災、中毒及爆炸等嚴重事故。

李永東等[1]針對某天然氣站的兩臺增壓機及其管路內氣柱進行固有頻率和壓力不均勻度的計算,發(fā)現(xiàn)有些管段固有頻率較低,壓力脈動超過《API618 石油、化學和氣體工業(yè)設施用往復壓縮機》的規(guī)定,他們通過設置孔板和管卡使管道很好地避開共振區(qū),有效降低了管道的振幅?？紫閺姷萚2]采用ANSYS 軟件計算了制冷壓縮機配管的氣柱固有頻率和結構固有頻率,并研究了回氣管長度和排氣管長度對壓縮機及其管系振動的影響。劉英男等[3]利用BENTELY PLUS 和CAESARⅡ軟件對撬裝往復壓縮機的振動進行分析,使其氣柱固有頻率和結構固有頻率避開了壓縮機的激發(fā)頻率。Liang等[4]針對某升壓站管路振動問題,利用有限元方法對原壓縮機管路進行機械結構的模態(tài)分析和管道內部氣體的模態(tài)分析,并對管道進行諧響應分析,得到管路振動的參數(shù)并提出合理的改進措施。蘇永升等[5]開發(fā)了一種氣流脈動削減裝置,該裝置為三維空腔結構,氣體切向進入,從頂部流出;實驗結果表明氣體通過該脈動削減空腔后,壓力脈動削減效果顯著。管生洲等[6]對柴油加氫裝置新氫壓縮機管路系統(tǒng)進行了氣流脈動和管道振動響應的計算與分析,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)生了低階結構共振,并且一級進氣管道彎頭較多,改進后的管道固有頻率避開了共振區(qū),振動位移大幅降低。涂俊[7]和郝春哲[8]利用BENTELY PLUS 和CAESARⅡ軟件對壓縮機出口管道振動問題進行了管道內氣體脈動和管道的振動分析,通過增加緩沖罐改變管內氣柱共振頻率以避開激振的共振頻率范圍,添加管路管卡增加管路剛度使激振力避開共振區(qū),最終使得管道振動幅值大幅減小,提高了管道的疲勞壽命。

管道的管卡數(shù)量和位置的改變對管道的結構模態(tài)和剛度影響很大,然而前人多是通過計算管道固有頻率來確定管卡的設置位置,進而研究減振效果,并未考慮管卡設置對管道振動位移響應的影響。本文對某往復式壓縮機入口管道進行模態(tài)分析和諧響應分析,研究管卡的數(shù)量和位置改變對管道固有頻率以及管道位移響應的影響,并研究入口管管卡的合理設置問題,最終以最大程度提高管道的固有頻率和降低振動位移為原則,確定了管卡的合理布置。

1 原壓縮機入口管道動力學分析

1.1 幾何模型和管道參數(shù)

所研究壓縮機入口由1 根Z 型管道和2 個法蘭組成。管道一端通過法蘭與壓縮機氣缸相連,另一端通過法蘭與緩沖罐相連接,其中管道與法蘭為螺紋連接。管道中間有3 個管卡來限制管子徑向和環(huán)向的位移。將管道分成5 段,分別稱作直管段Ⅰ、直管段Ⅱ、直管段Ⅲ、彎管段Ⅰ和彎管段Ⅱ,3 個管卡分別為管卡1、管卡2 和管卡3,如圖1 所示。

圖1 管道分段示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pipeline segment

根據(jù)管道幾何參數(shù)建立管道有限元幾何模型如圖2 所示,管路基本參數(shù)見表1,管道材料的部分性能見表2。管道所連接單作用壓縮機的轉速為200 r/min。

表1 管路基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the pipeline

表2 材料在設計溫度下的性能Table 2 The performance of the material at the design temperature

圖2 管道幾何模型Fig.2 Geometry model of the pipeline

1.2 管道模態(tài)分析

采用Solid185 實體單元對管道進行網(wǎng)格劃分,如圖3 所示。管道入口法蘭端面與出口法蘭端面設為固定約束,管卡1 ～3 約束管道的徑向和環(huán)向位移,不約束管道軸向自由度,如圖4 所示。求解得管道前6 階固有頻率值(表3),管道的前2 階模態(tài)振型如圖5、6 所示。

表3 管道前6 階固有頻率Table 3 First six-order natural frequencies of the pipeline

圖3 管道有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Finite element mesh model of the pipeline

圖4 管道約束示意圖Fig.4 Illustration of pipeline constraints

圖5 管道的一階振型圖Fig.5 The first-order mode shape of the pipeline

圖6 管道的二階振型圖Fig.6 Second-order mode shape of the pipeline

激振頻率f由壓縮機參數(shù)和單作用方式通過式(1)計算得到。

式中,m代表壓縮機氣缸單/雙作用方式,單作用時m=1,雙作用時m=2;n為壓縮機曲軸轉速,r/min。對于本文所研究壓縮機有m=1,n=200 r/min,得到激發(fā)主頻率f=3.33 Hz。

管道的前兩階模態(tài)振型圖顯示,管道的一階振型沿著Z方向擺動,二階振型沿著X方向擺動,且管道前6 階固有頻率遠大于激發(fā)頻率,故在原管道支撐下不會發(fā)生結構共振。

1.3 諧響應分析

在管道諧響應分析中仍采用Solid185 實體單元對管道進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)壓縮機參數(shù)和單作用氣缸出口氣流特性,通過CFD 軟件計算得到彎管在X、Y方向上的激振力分量見表4,激振力分量的詳細計算過程可參考文獻[9]。管道約束條件與1.2節(jié)相同,激振力載荷的施加如圖7 所示。

表4 作用在彎管的激振力Table 4 Exciting forces acting on the elbow

圖7 激振力載荷施加示意圖Fig.7 Illustration of the exciting force load application

在3.33 Hz 激振力作用下管道X方向的振幅峰峰值(X方向位移響應最大值減去位移響應最小值)為0.069 mm,Y方向的振幅峰峰值(Y方向位移響應最大值減去位移響應最小值) 為0.017 mm,未超過API618 限定值(0.5 mm),管道符合振動要求。

2 管卡數(shù)量及位置的合理設置

一般管道支架的設置是基于管道的強度和剛度來決定支架的位置和數(shù)量。按照強度條件和剛度條件可以計算出管道的跨距,工程中一般取兩種判據(jù)計算出來的管道跨距的最小值。對于存在壓力脈動的活塞式壓縮機管道,需要考慮管道振動問題。本節(jié)通過對管道進行模態(tài)和諧響應分析來研究管卡數(shù)量及位置變化對管道振動的影響。

壓縮機管道設計的管卡位置選擇如圖8 所示,圖中一共假設了9 個管卡的可能安裝位置,每段直管道上分別有3 個。其中1、2、3 位置和7、8、9 位置分別把直管段Ⅰ和直管段Ⅲ平分成3 段,3、4、6、7位置緊挨著彎管。

圖8 管道管卡可能位置示意圖Fig.8 Illustration of possible locations of pipe-clamps

2.1 第一個管卡位置的確定

2.1.1 對管道模態(tài)的影響

在管道上設置第一個管卡約束,其設置的位置可選在位置1 ～9。管道兩端為固定約束,管卡只約束該位置上管道的徑向和周向位移,管道沿管子軸向可自由移動。計算得到管卡在位置1 ～9 時管道的前6 階固有頻率和振型,前6 階固有頻率如圖9所示,管卡在位置5 時的一階振型如圖10 所示。

圖9 管卡1 設置位置對管道固有頻率的影響Fig.9 Influence of pipe-clamp 1 setting position on the natural frequency of the pipeline

圖10 設置一個管卡后管道的一階振型Fig.10 The first-order mode shape of the pipeline after setting one pipe-clamp

由圖9 可以看出隨著管卡位置由位置1 變到位置9,管道的前4 階固有頻率均有先增大后減小的趨勢,其中前3 階固有頻率均在位置7 時最大。說明單從提高管道固有頻率的角度出發(fā),管卡1應設在位置7 處。此外還可看出,管卡設置在管道的中間段及彎頭處時管道固有頻率的提高較大。

2.1.2 對管道振動位移的影響

本文通過諧響應分析計算管道振動位移并考察管卡位置的影響。約束條件與模態(tài)計算時的相同,載荷施加與1.3 節(jié)相同。在3.33 Hz 激振頻率下,管道在X方向與Y方向的最大振動位移如圖11所示。

圖11 管卡1 設置位置對管道X 和Y 方向位移的影響Fig.11 The influence of pipe-clamp 1 setting position on the displacement of the pipeline in the X and Y directions

由圖11 可以看出,第一個管卡在位置7 時管道X方向的振動位移響應最小,在位置4 時Y方向的振動位移響最小。第一個管卡設置在直管段和彎頭處時管道的振動位移較小,工程上設置第一個管卡應首先考慮設置在管道中段的彎頭處。由于第一個管卡設置在位置7 時管道的第一階固有頻率最高,因此第一個管卡設置在位置7 比較合理。

2.2 第二個管卡位置的確定

2.2.1 對管道模態(tài)的影響

在2.1 節(jié)基礎上設置第二個管卡,第二個管卡可以設置在除位置7 外的其余8 個位置。管道的約束仍然為兩端固定約束,管卡約束與2.1.1 節(jié)相同。圖12 為第二個管卡設置在位置1 到位置9(不含位置7)時管道的前6 階固有頻率。第二個管卡在位置5 時的一階振型如圖13 所示。

圖12 管卡2 設置位置對管道固有頻率的影響Fig.12 Influence of pipe-clamp 2 setting position on the natural frequency of the pipeline

圖13 設置2 個管卡后管道的一階振型圖Fig.13 The first-order mode shape of the pipeline after setting two pipe-clamps

由圖12 可知管卡2 設置在位置4 和5 時管道的前兩階固有頻率相同且最高,均為135.12 Hz,比原三管卡支撐的管道第一階固有頻率(62.75 Hz)高72.37 Hz。第二個管卡設置在中間管道及彎頭處,管道的固有頻率有較大提高。

2.2.2 對管道振動位移的影響

在第一個管卡設置在位置7 的基礎上,在管道上其他8 個位置設置第二個管卡并進行諧響應分析。管道的約束條件與模態(tài)計算時的相同,載荷施加與1.3 節(jié)相同。在3.33 Hz 激振頻率下,管道上X方向與Y方向的最大振動位移響應如圖14所示。

圖14 管卡2 設置位置對管道X 和Y 方向位移的影響Fig.14 The influence of pipe-clamp 2 setting position on the displacement of the pipe in the X and Y directions

由圖14 可以看出,當?shù)诙€管卡設置在中間直管道上時有較低的位移響應。且當?shù)谝粋€管卡固定在位置7、第二個管卡設置在位置6 時,管道兩個方向的最大振動位移最小,故第二個管卡設置在位置6 比較合適。由此可以看出管卡應優(yōu)先設置在管道中間彎頭處,可以提高管道的固有頻率并降低其振動位移。

2.3 第三個管卡位置的確定

在第一個和第二個管卡分別固定在位置7 和位置6 的前提下,進行類似的模態(tài)分析和諧響應分析,結果分別如圖15 ～17 所示,其中圖16 為第三個管卡在位置5 時的一階振型圖。

圖15 管卡3 設置位置對管道固有頻率的影響Fig.15 The influence of pipe-clamp 3 setting position on the natural frequency of the pipeline

圖16 設置3 個管卡后管道的一階振型圖Fig.16 The first-order mode shape of the pipeline after setting three pipe-clamps

由圖15 可知,在前5 個位置設置第三個管卡,管道的第一階固有頻率最大且?guī)缀跸嗟?約為135.33 Hz,比固定前面兩個管卡計算出來的管道固有頻率106.67 Hz(圖12 中位置6 處的一階固有頻率)有所提高,但提高效果不顯著,說明隨著管卡數(shù)量的增加,管道剛度提高的效果越來越不明顯。

由圖17 可以看出,第三個管卡的位置變化對管道位移響應幾乎沒有影響,且相比于添加第二個管卡,管道振動的降低也不顯著。相比放置在其他位置,將管卡設置在位置4 時,管道的兩個方向的振動位移最小, 此時管道X方向的振動位移為0.004 1 mm,比圖1 中三管卡約束的原管道X方向的振動位移降低了88.12%,Y方向振動位移為0.003 84 mm,比原管道Y方向的振動位移降低了54.8%。

圖17 管卡3 設置位置對管道X 和Y 方向位移的影響Fig.17 The influence of pipe-clamp 3 setting position on the displacement of the pipe in the X and Y directions

3 結論

(1) 針對某壓縮機入口管道振動問題,對管道進行模態(tài)分析和諧響應分析,以最大程度提高管道固有頻率和降低振動位移為原則,確定管道管卡的合理布置:具有交變載荷的管道管卡應優(yōu)先設置在管道中部位彎頭處。

(2) 在同樣設置三管卡的條件下,管道X、Y方向位移分別比原三管卡支撐的管道振動位移降低了88.12%和54.8%,表明依據(jù)模態(tài)分析和諧響應分析確定的3 個管卡設置位置對管道的減振效果明顯,可有效提高管道的使用壽命。

(3) 依據(jù)本文提出的管卡位置設置原則,設置第一個管卡對管道固有頻率和振動位移的影響最大,隨著管卡數(shù)目增多,影響逐漸減小。