工藝管線振動控制的研究

2013-06-14 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

管道作為液體動力傳輸、傳動和控制的基本元件,廣泛應(yīng)用于石油、化工、土建、核能和航空航天等領(lǐng)域,由于動力源不可避免地產(chǎn)生壓力脈動,從而引起管道的振動,使管道系統(tǒng)難以穩(wěn)定工作。當壓力脈動的諧振頻率與管道結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時會發(fā)生共振,使管道系統(tǒng)遭到破壞,減少管線使用壽命,甚至發(fā)生重大事故。因此研究管道動態(tài)特性、尋求合理的管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、減少管道振動是工程技術(shù)人員的重要課題。國內(nèi)外均發(fā)生過因管道破裂引起的重大事故,為了防止動力源產(chǎn)生的壓力脈動給系統(tǒng)帶來的破壞,各國研究者都在尋找和采取各種措施,并取得了很大進展。
    1 研究對象簡介
石油二廠酮苯脫蠟車間工藝管線在往復(fù)式壓縮機正常運轉(zhuǎn)下發(fā)生劇烈振動,威脅生產(chǎn)安全。酮苯脫蠟裝置往復(fù)式壓縮機為過濾機提供氮氣,該機組由4臺往復(fù)式壓縮機組成,正常工作時3臺運轉(zhuǎn)、1臺備用。在劇烈振動的管線上有環(huán)焊道、法蘭和閥門,假如這些位置存在裂紋,振動會加速疲勞并導(dǎo)致裂紋擴張,是一個潛在的危險因素。與每臺往復(fù)式壓縮機相連接的有入口管線、出口管線、安全管線、平衡管線,發(fā)現(xiàn)人口管線幾乎不振動,出口管線、安全管線、平衡管線有不同程度的振動,其中平衡管線振動最為強烈。
    系統(tǒng)主要參數(shù):管線材質(zhì):200;介質(zhì):氮氣;平衡管線:+108 mm x 4 mm;閥門型號:Z41h 一76CDN100;壓縮機型號,4L-65/0.4 一0.7 一1;壓縮機型式:L型雙缸二級復(fù)動水冷;電機轉(zhuǎn)速:428r/min;壓縮級數(shù):2。
    2 管線振動測量
經(jīng)觀察,出口管線、安全管線、平衡管線有不同程度的振動,其中平衡管線的振動幅值最大。為獲故障診斷系統(tǒng),對酮苯脫蠟車間真空壓縮機組的J-6/3管線進行振動檢測。利用磁座將速度傳感器固定于管線外壁上,振動經(jīng)磁座傳到傳感器,傳感器將管線振動信號轉(zhuǎn)換成電信號,通過傳輸電纜輸入CAMD-6100型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測與故障斷系統(tǒng),對現(xiàn)場管線進行振動時域分析以及譜分析。
平衡管線與壓縮機位置如圖1所示。

工藝管線振動控制的研究cfd學(xué)習資料圖片1

各線段長度為(單位:mm):AB=900,BC=900,CD=250,DE=2 000,EF=240。各測點的相關(guān)譜圖如圖2所示。

工藝管線振動控制的研究流體動力學(xué)圖片圖片2

從譜圖的情況可以得出以下推論:
l) 從時域波形的幅值角度來看,越是靠近壓縮機出口處,振動幅值越大(測點1,2),測點1的東側(cè)的速度峰峰值達到了221. 96 mm/s,測點2的東側(cè)的速度峰峰值達到了157.79 mm/s。
2) 從時域波形的復(fù)雜程度角度來看,越是遠離壓縮機出口處,振動情況越復(fù)雜。從圖中可以明顯看出,測點3,4的振動時域圖要比測點1,2的振動時域圖復(fù)雜得多。
3) 大部分測點的功率譜顯示,在激勵的二倍頻率附近振動加強,可以設(shè)想:管系的某階固有頻率恰在激勵的2倍頻率附近,所以導(dǎo)致管系共振。
4) 振動主要在水平平面內(nèi)振動,在豎直平面的振動相對較弱。在測點2,3,4的上方時域波形的峰峰值就相對于水平方向的峰峰值小,其中測點2最為明顯。

3 計算過程
3.1 模擬計算
3.1.1 建立模型對于管系的固有頻率,在遼寧石油化工大學(xué)CAE實驗室用ANSYS進行了模擬仿真,利用ANSYS中的三維彈性管單元的功能模塊,根據(jù)在該車間取得的數(shù)據(jù),定義了彎管和閥門,然后根據(jù)實際情況加載約束,在自由端處進行全約束,建模如圖3所示。

工藝管線振動控制的研究流體動力學(xué)圖片圖片3

3.1.2 計算結(jié)果對以上建立的模型進行振動特征值分析、特征向量分析和振動模型分析,取控制振動模型個數(shù)為10,頻率范圍為0--10 000 Hz,進行求解。經(jīng)計算,管線振動的一階頻率為53.355 Hz。
    3.2 理論計算
按照美國石油學(xué)會標準API-618API-618,多級或多缸的壓縮機脈動頻率計算公式:
     f = mn/6 0
    式中:f—激發(fā)(脈動)頻率,Hz;
    n一轉(zhuǎn)速 ( n =428),r/min;
    m一壓縮機每轉(zhuǎn)激發(fā)次數(shù),雙缸雙作用式m=4 。
    所以壓縮機的激發(fā)頻率為:
     f = 4 x 428 /60 = 28.53
氣體脈動二倍頻2f=28.53 x 2=57.06 Hz,而管線振動的一階頻率為53.355 Hz,基本位于激勵頻率的2倍附近,前面的推論3中所提到的假設(shè)一一管線一階振動頻率約為激勵頻率的2倍,導(dǎo)致管線共振到論證。
    4 改造方案
基于以上振動原因,結(jié)合車間具體情況,提出以下改造方案。
1) 改變電機轉(zhuǎn)速
適當改變電機的轉(zhuǎn)速,從而改變氣體的脈動頻率,這樣避開了機泵與管線的公共頻率點,避免產(chǎn)生共振,從而大大降低管線振動。
2) 改變管線固有頻率
當管線的固有頻率與激振力頻率接近時容易引起共振川,為防止共振,可以通過改變管線集中質(zhì)量等方式,盡量使管線的固有頻率在激振力頻率的3倍以上。
3) 優(yōu)化管線的空間分布和支撐情況
由于管線不太長,且彎頭較多,使得氣流激蕩比較厲害,因此有必要優(yōu)化管線的空間分布。將振動管道沿地面敷設(shè),原則上支架不應(yīng)在廠房、構(gòu)架、平臺和設(shè)備上生根。管道應(yīng)固定在管墩的型鋼上,而固定管托;管卡時應(yīng)有一定彈性,以吸收管道部分振動能量,如在固定管卡與管道之間襯以軟木或橡膠墊。同時盡量避免直角度彎頭和大落差。
4) 在壓縮機出口加緩沖罐
在壓縮機出口增加一個容積為0.6m*3的緩沖罐,使其緩沖罐容積與行程容積之比達10倍以上,其結(jié)構(gòu)采用內(nèi)插管折流結(jié)構(gòu),從而提高了壓力脈動衰減效果。
5) 在壓縮機二段出口緩沖罐人口法蘭處加孔板
在管道系統(tǒng)大容器入口處加孔板是最簡單易行而有效的消振措施之一。沿管道傳播的振動駐波,在遇到障礙(指管件)時都會發(fā)生反射現(xiàn)象而孔板與緩沖罐的組合正是把具有反射作用的駐波變?yōu)椴环瓷涞男胁?從而防止管道內(nèi)的氣柱產(chǎn)生共振。