工艺管线振动控制的研究

2013-06-14 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

管道作为液体动力传输、传动和控制的基本元件,广泛应用于石油、化工、土建、核能和航空航天等领域,由于动力源不可避免地产生压力脉动,从而引起管道的振动,使管道系统难以稳定工作。当压力脉动的谐振频率与管道结构的固有频率接近时会发生共振,使管道系统遭到破坏,减少管线使用寿命,甚至发生重大事故。因此研究管道动态特性、寻求合理的管道结构参数、减少管道振动是工程技术人员的重要课题。国内外均发生过因管道破裂引起的重大事故,为了防止动力源产生的压力脉动给系统带来的破坏,各国研究者都在寻找和采取各种措施,并取得了很大进展。
    1 研究对象简介
石油二厂酮苯脱蜡车间工艺管线在往复式压缩机正常运转下发生剧烈振动,威胁生产安全。酮苯脱蜡装置往复式压缩机为过滤机提供氮气,该机组由4台往复式压缩机组成,正常工作时3台运转、1台备用。在剧烈振动的管线上有环焊道、法兰和阀门,假如这些位置存在裂纹,振动会加速疲劳并导致裂纹扩张,是一个潜在的危险因素。与每台往复式压缩机相连接的有入口管线、出口管线、安全管线、平衡管线,发现人口管线几乎不振动,出口管线、安全管线、平衡管线有不同程度的振动,其中平衡管线振动最为强烈。
    系统主要参数:管线材质:200;介质:氮气;平衡管线:+108 mm x 4 mm;阀门型号:Z41h 一76CDN100;压缩机型号,4L-65/0.4 一0.7 一1;压缩机型式:L型双缸二级复动水冷;电机转速:428r/min;压缩级数:2。
    2 管线振动测量
经观察,出口管线、安全管线、平衡管线有不同程度的振动,其中平衡管线的振动幅值最大。为获故障诊断系统,对酮苯脱蜡车间真空压缩机组的J-6/3管线进行振动检测。利用磁座将速度传感器固定于管线外壁上,振动经磁座传到传感器,传感器将管线振动信号转换成电信号,通过传输电缆输入CAMD-6100型旋转机械状态监测与故障断系统,对现场管线进行振动时域分析以及谱分析。
平衡管线与压缩机位置如图1所示。

工艺管线振动控制的研究cfd学习资料图片1

各线段长度为(单位:mm):AB=900,BC=900,CD=250,DE=2 000,EF=240。各测点的相关谱图如图2所示。

工艺管线振动控制的研究流体动力学图片图片2

从谱图的情况可以得出以下推论:
l) 从时域波形的幅值角度来看,越是靠近压缩机出口处,振动幅值越大(测点1,2),测点1的东侧的速度峰峰值达到了221. 96 mm/s,测点2的东侧的速度峰峰值达到了157.79 mm/s。
2) 从时域波形的复杂程度角度来看,越是远离压缩机出口处,振动情况越复杂。从图中可以明显看出,测点3,4的振动时域图要比测点1,2的振动时域图复杂得多。
3) 大部分测点的功率谱显示,在激励的二倍频率附近振动加强,可以设想:管系的某阶固有频率恰在激励的2倍频率附近,所以导致管系共振。
4) 振动主要在水平平面内振动,在竖直平面的振动相对较弱。在测点2,3,4的上方时域波形的峰峰值就相对于水平方向的峰峰值小,其中测点2最为明显。

3 计算过程
3.1 模拟计算
3.1.1 建立模型对于管系的固有频率,在辽宁石油化工大学CAE实验室用ANSYS进行了模拟仿真,利用ANSYS中的三维弹性管单元的功能模块,根据在该车间取得的数据,定义了弯管和阀门,然后根据实际情况加载约束,在自由端处进行全约束,建模如图3所示。

工艺管线振动控制的研究流体动力学图片图片3

3.1.2 计算结果对以上建立的模型进行振动特征值分析、特征向量分析和振动模型分析,取控制振动模型个数为10,频率范围为0--10 000 Hz,进行求解。经计算,管线振动的一阶频率为53.355 Hz。
    3.2 理论计算
按照美国石油学会标准API-618API-618,多级或多缸的压缩机脉动频率计算公式:
     f = mn/6 0
    式中:f—激发(脉动)频率,Hz;
    n一转速 ( n =428),r/min;
    m一压缩机每转激发次数,双缸双作用式m=4 。
    所以压缩机的激发频率为:
     f = 4 x 428 /60 = 28.53
气体脉动二倍频2f=28.53 x 2=57.06 Hz,而管线振动的一阶频率为53.355 Hz,基本位于激励频率的2倍附近,前面的推论3中所提到的假设一一管线一阶振动频率约为激励频率的2倍,导致管线共振到论证。
    4 改造方案
基于以上振动原因,结合车间具体情况,提出以下改造方案。
1) 改变电机转速
适当改变电机的转速,从而改变气体的脉动频率,这样避开了机泵与管线的公共频率点,避免产生共振,从而大大降低管线振动。
2) 改变管线固有频率
当管线的固有频率与激振力频率接近时容易引起共振川,为防止共振,可以通过改变管线集中质量等方式,尽量使管线的固有频率在激振力频率的3倍以上。
3) 优化管线的空间分布和支撑情况
由于管线不太长,且弯头较多,使得气流激荡比较厉害,因此有必要优化管线的空间分布。将振动管道沿地面敷设,原则上支架不应在厂房、构架、平台和设备上生根。管道应固定在管墩的型钢上,而固定管托;管卡时应有一定弹性,以吸收管道部分振动能量,如在固定管卡与管道之间衬以软木或橡胶垫。同时尽量避免直角度弯头和大落差。
4) 在压缩机出口加缓冲罐
在压缩机出口增加一个容积为0.6m*3的缓冲罐,使其缓冲罐容积与行程容积之比达10倍以上,其结构采用内插管折流结构,从而提高了压力脉动衰减效果。
5) 在压缩机二段出口缓冲罐人口法兰处加孔板
在管道系统大容器入口处加孔板是最简单易行而有效的消振措施之一。沿管道传播的振动驻波,在遇到障碍(指管件)时都会发生反射现象而孔板与缓冲罐的组合正是把具有反射作用的驻波变为不反射的行波,从而防止管道内的气柱产生共振。