天然气压缩机站场工艺管道振动分析技术探讨.pdf

《天然气压缩机站场工艺管道振动分析技术探讨.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天然气压缩机站场工艺管道振动分析技术探讨.pdf（3页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第 4 4卷 第 7期 2 0 1 5年 7月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a I n d u s t r y V o 1 4 4N 0 7 J u l y，2 0 1 5 天然气压缩机站场工艺管道振动分析技术探讨 冷 俊 ，吴卓谦 ，廖 凯 。 ，蒋 冲 ，赵 勇 ( 1 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 西南油气田公司输气管理处，四川 成都 6 1 0 0 0 0 ； 3 西南油气 田公司蜀南气矿，四川 泸州 6 4 6 0 0 0 ； 4江西省天然气有限公司，江西 南昌 3 3 0 0

2、2 9 ； 5 兰成渝输油分公司，四川 成都 6 1 0 0 0 0) 摘 要：随着天然气工业的发展，大型压缩机组越来越广泛的应用于天然气长输管道工程。结合工程实际 应用 ，对已有的压缩机站场工艺管道振动分析方法作出改进。通过管道应力分析软件 C AE S A R I I 和科学仿真 计算软件 M a t l a b的联合使用，合理、有效的对天然气压缩机站场工艺管道振动情况进行分析。 关键词：压缩机 ；管道 ；固有频率 ；气柱 ；振动 中图分类号 ：T Q 0 5 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 5) 0 7 1 6 9 0 0 3 Di s

3、 e us s i o n 0 n Ana l v s i s M e t h o ds 0 f Pi pe l i ne br a t i o n i n Na t ur a l Ga s Co mpr e s s o r S t a t i o ns LENG J u n ，WU Zh u o q i a n ， 三 0 Kai ， J I ANG Ch o n g ， 0 Y o n g ( 1 S c h o o l o f Oi l & Na t u r a l Ga s E n g i n e e r i n g ， S o u t h we s t P e t r o l e u

4、 m Un i v e r s i t y , S i c h u a n Ch e n g d u 6 1 0 0 0 0 Ch i n a ； 2 Ga s M a n a g e me n t Offi c e 。 S o u t h we s t Oi l a n d Ga s Co mp a n y , S i c h u a n C h e n g d u 6 1 0 0 0 0 ， Ch i n a ； 3 S h u n a n Ga s F i e l d o f S o u t h we s t Oi l & Ga s F i e l d Co mp a n y , S i

5、 c h u a n S h u n a n 6 4 6 0 0 0 Ch i n a ； 4 J i a n g x i Na t u r a l Ga s Co ， L t d ， J i a n g x i Na n c h a n g 3 3 0 0 2 9 ， Ch i n a ； 5 L a n Ch e n g Yu Oi 1 P r o d u c t T r a n s p o r t a t i o n S u b c o mp a n y , S i e h u a n Ch e n g d u 61 0 0 0 Ch i n a ) Ab s t r a c t ： W

6、 i t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f n a t u r a l g a s i n d u s t r y , l a r g e - s c a l e c o mp r e s s o r s e t s h a v e b e e n wi d e l y u s e d i n l o n g d i s t a n c e n a t u r a l g a s p i p e l i n e p r o j e c t s B a s e d o n t h e p r a c t i c a l a p p l i c

7、a t i o n i n a c o mp r e s s o r s t a t i o n ， t h e a n a l y s i s me t h o d o f p i p e l i n e v i b r a t i o n i n t h e c o mp r e s s o r s t a t i o n wa s i mp r o v e d b y u s i n g C AES AR I I a n d Ma t l a b ， a r e a s o n a b l e an d e ffi c i e n t v i b r a t i o n a n a l

8、y s i s me t h o d o f t h e p i p e l i n e o f n a t u r a l g a s c o mp r e s s o r s t a t i o n wa s p u t f o r wa r d Ke y wo r d s ： Co mp r e s s o r ； P i p e l i n e ； Re s o n a n t f r e q u e n c y ； Ai r c o l u mn ； Vi b r a t i o n 根据世界石化工业 1 0 0起特大财产毁损事件分 析表 明，由管道振动引发的事故为 1 9 ，排在第

9、二 位 ( 第一位是机械故障 )n 。 在生产实际中，强烈的管道振动， 将会使管路 附件 ，尤其是管道的连接部位 、管道与附件的连接 部位和管道与支架的连接部件等处发生磨损 、 松动； 在振动所产生的交变 应力作用下 ，导致疲劳破坏 ，从而发生管线断 裂、介质外泄，甚至引起严重的生产事故，给生产 和环境造成严重危害。对于压缩机站来说 ，压缩机 进出口管道直接与振动源相连，对其进行振动分析 是很有必要的。 以前 的研究未考虑气柱共振的影响 ，或气柱固 有频率计算结果不太理想，本文根据工程的实际应 用，提出的分析方法考虑了气柱共振影响，同时提 高了气柱固有频率计算的准确度。 1 压缩机站场工艺管道

10、振动 压缩机站场是长距离输气管道的重要组成部 分。压缩机进 出口管道直接与压缩机相连 ，易受振 动源激发，产生振动。如果激发源的振动频率与管 道的固有频率一致或接近将会产生共振，容易造成 对管道的破坏，引发事故。同时管道内填充的气体 也有 自身的固有频率 ，若激发频率接近该频率 ，该 气柱系统也会产生响应 ，引发共振 ，对管道系统造 成破坏 。因此 ，对这两个振动系统进行分析 ，找到 其共振可能发生 的频率范 围，可对压缩机站的工艺 管道设计以及运营维护阶段的事故分析提供帮助。 天然气压缩机 站场工艺 管道的振动 由两个振 动系统构成。一是机械振动系统 ，由管道 、管道附 件、容器、支架等构成

11、，受到激发后产生机械振动 响应。 二是气柱振动系统， 即充斥于管路内的气体， 它具有自己的固有频率，这个系统受到一定的激发 后也会产生振动响应。激发源的振动频率与任一系 统的固有频率接近 ，该 系统就会发生共振。 在对新疆某压缩机站场振动分析过程 中，整理 出一套合理的方法，且对以前的方法作了改进。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 -1 2 2 2 作者简介 ： 冷俊 ( 1 9 8 8 一) ，男，四川成都人 ，硕士在读，研究方向：从事油气储运工程系统安全研究。E - m a i l ：l j f o r e v e r l 6 3 c o m 。 第4 4卷第 7 期 冷 俊，等：天然气压

12、缩机站场工艺管道振动分析技术探讨 1 6 9 1 2 振动分析 使 用 管 道 系统 设 计 和应 力 分 析 的专 业 软件 C A E S A R I I 建立管道模型 ， 根据该压缩机站场 的实 际情况，设置相应约束，在其动态分析模块中进行 管系固有频率的计算。为了准确的求出气柱各阶固 有频率 ，使用频响函数法替代宋晓辉等口 采用的转 移矩阵法进行气柱固有频率的计算。频响函数法能 有效避免转移矩阵法遗漏气柱某些 阶次固有频率的 现象p 。使用商业数学软件 M A T L A B编制程序计算 得到气柱固有频率，将管系固有频率和气柱固有频 率分别与激发频率 比较。 分析引起振动 的主要原 因

13、， 提 出针对性的措施 。 2 1 激发频率 往复式压缩机的激发频率 ： 厂= ) 式中：m 气缸作用方式的一个数，当单作用时，m = l ；当双作用时， m= 2； n一压缩机曲轴转速 ，r m i n 。 根据上 式计算得该压缩机站场 工艺管道 的激 发频率为 3 8 2 Hz 。 2 2 机械 固有频率 在管道应力分析软件 C A E S A R 11 中建立管道 模型， 根据管道的实际情况设置管道的约束条件( 图 1 o该压缩机站场由于进出口管系之间有一条旁通 连接 ，因此在分析其管系固有频率时建立了压缩机 区进 出口管系的整体模型。 图 1 管道振动分析模型 F i g 1 Th e

14、 mo d e l o f p i p e l i n e v i b r a t i o n a n a l y s i s 使 用 该 软 件 的 动 态 分 析 模 块“D y n a mi c A n a l y s i s ”计算出该管系的各阶固有频率 ( 表 1 o 由于激发频率为 3 8 2 H z ，因此激振频率在管系 的 6 7 阶、 6 8 阶固有频率之间， 较为接近 6 8 阶，通 过 C A E S A R 1 1的振动仿真动画 “ A n i ma t i o n ”可判 断 ，此时的共振形式为压缩机 出口管线临近压缩机 出口直管段的拉伸和压缩 ( 6 7阶 ) ，压

15、缩机进 口管 线临近进 口部分至管段的拉伸和压缩 ( 6 8阶 ) 、连 接进出口管线的旁通管在阀门附近的拉伸和压缩 ( 6 9阶 ) 。若现场的共振破坏区域在这些区域 ，则 该管系 的振动破坏可能来源 于机械振 动系统的共 振。 表 1 管系固有频率 阶次 频 g H z 阶次 频率 Hz 6 4 3 2 6 9 0 0 6 9 3 8 9 2 6 4 6 5 3 3 68 3 9 7 0 3 9 2 2 01 6 6 3 4 1 3 9 4 7 1 3 9 8 3 2 0 6 7 3 4 4 2 2 3 7 2 3 9 9 7 6 2 6 8 3 8 7 0 3 9 7 3 41 3 5

16、0 5 这种情况下 ，可以采取减少弯管数量 ，适 当增 加支撑数，减少两支承问的跨度等措施，达到增加 系统刚度的 目的 。 2 3 气柱 固有频率 工程上，管道系统气柱固有频率一直采用的转 移矩阵法 ( 以下称 G T MM)进行计算 。但相比于以 前采用传递矩阵法可能发生漏根的现象 ，本文采用 的频响函数法， 能克服 G T M M漏根的缺点， 计算结 果更加准确。 任何复杂的管网系统总是由管道的基本元件组 成， 可将其分成直管元件和集中阻力元件。 一般来说， 管系内任一点的波动情况是由该点的脉动压力 尸及 脉动质量流量 确定 。在简谐波动情况下 ，假定任一 元件进出1：3 两端点 、 的压

17、力和脉动质量流量幅值分 别为p 、p， 、 、专 ， 。对于等截面管，由线性波 动理论可得管段进出口处四个参数的关系为： 其中 ， K： 鱼 I c th ( a + j k ) I c s c h ( a + ) l ( 3 ) 口 l c s c h ( a + j k ) l c th ( a + j k ) l 1 式 中： 口： ；R： ；k：一W ； = ； 一管道沿程阻力系数 ； 管道横截面积， ； ， 管道摩擦系数； D一管道内径 ，m； 口 一介质声速 ，m s ； “ 介质平均流速 ，m s ； 一激振圆频率 ，r a d s 。 为直管的单元刚度阵。集中阻力原件的单 元刚

18、度阵为 1 6 9 2 当 代 化 工 2 0 1 5年 7月 式中 R。=孝 “ 。 ； 一局部损失系数。 ： 通过直管单元的单元刚度阵和集中阻力原件的 刚度阵可拼装 出整个系统的总刚度阵 ，且 KP=E ( 5) 式中 ：JP 一节点 压 力幅值，P ： L 只 ； 点 _ _ _ 外界流人结点的脉动质量流量幅值，E= L 。 对相应边界结点进行处理后 ，可以得到结点压 力 P与外界流人体积质量流量的关系： K P= E ( 6 ) 当 E已知的情况下可以通过上式求得 ， P=F E ( 7 1 式中 F为 K的逆矩阵。其 i 行 ， 列元素 ， 表示 当系统只在， 结点有单位信号输入 (

19、 即脉动质量流 量 )时在 i 结点 的输 出响应 ( 即脉动压力 ) 。 刚度阵是圆频率w的函数 ， 通过对w反复赋值， 找到满足条件的w值 ，这些值就是气柱固有频率。 使用计算机可以很好的完成气柱固有频率的求解。 使用频响函数法， 在 M a tl a b中进行该压缩机站 气柱固有频率计算。计算结果见表 2 。 表 2 气柱固有频率 T a b l e 2 Th e n a t u r a l f r e q u e n c y o f a i r c o l u m n 阶次 频率， H z 阶次 频率 H z l 1 2 8 6 6 6 3 0 1 5 3 9 4 1 61 6 1 2

20、 3 0 4 5 7 9 5 1 6 4 2 9 9 9 4 5 1 3 3 4 0 41 2 3 l 7 4 4 7 9 1 1 0 1 4 3 7 6 2 4 5 2 1 8 4 8 3 7 4 3 8 由于激振频率为 3 8 2 H z ，在气柱固有频率 1 4 、 1 5阶之间，发生气柱共振 的可能性不大。但应考虑 到计算气柱固有频率时，刚度矩阵中的声速受温度 影响，在温度变化的情况下气柱固有频率可能与激 振频率接近。若现场振动破坏的区域不在机械振动 系统分析的区域 ， 振动破坏原 因应考虑为气柱共振。 这种情况下 ，应针对管系进行改造 ，如在破坏 区域附近 的弯头应尽量采用 4 5

21、。或大弯 曲半径弯 头 ， 减少激振力 的影响 ； 考虑在压缩机出 人 口设置 缓冲罐 ( 视破坏区域选定 ) 等。 3 结 论 通过本文提 出的方法能对 天然气压缩 机站场 工艺管道振动情况进行分析， 诊断管道剧烈振动或 破坏的原因是来 自于机械系统 的共振还是来 自于气 柱系统的共振 ，针对性的制定保护措施 。本文的方 法，在对气柱固有频率计算时使用了改进的计算方 法 ，比之以前使用的 G T MM，规避了漏根 的风险 ， 能更准确的诊断管道振动与气柱固有频率之间的关 系 ，分析压缩机站场工艺管道振动原因。 在结合实际工程应用 的基础上 ，针对机械系统 共振和气柱共振两种不同的情况提出了相

22、应的改进 措施 。 参考文献 ： 1 樊力可 往复压缩机出口管系的振动分析及消振措施 D 】 华东理工 大学，2 0 1 3 2 宋晓辉， 范德顺 ， 乔舰离心压缩机管系振动分析及减振措施 J J 科 学技术与工程 ，2 0 0 9 ，1 7 ：4 9 3 0 4 9 3 3 3 谢壮宁 采用频响函数法计算复杂管道系统的气柱固有频率f J 流 体机械 ，1 9 9 5 ( 0 7 ) ：1 7 2 0 4 党锡淇，陈守五 活塞式压缩机气流脉动与管道振动 M 西安：西 安交通大学出版社 ，1 9 8 4 5 薛玮飞 ，张智，陈进，杨九铭 ， 刘晓明 空调配管空间结构的动态 仿真与优化 J 1 机

23、械强度 ，2 0 1 1 (0 2 ) ：1 7 0 1 7 4 ( 上接 第 1 6 8 9页 ) 参考文献 ： 1 杜殿发， 王青， 戴彩丽 薄层底水油藏注入水存水率影响因素以 陆梁油田为例【J 油气地质与采收率，2 0 1 0 ， 1 7 ： 8 5 8 6 2 王作乾， 黄淑女 累积存水率和累积水驱指数与含水率的理论关系【 J _ 新疆石油地质， 2 0 1 1 ，3 2 ( 1 ) ： 5 7 5 9 3 相天章， 于涛， 温静， 等l 累积存水率曲线研究及应用探讨J _断块油气 田 2 0 0 1 ， 8 f 4 ) ：3 1 - 3 2 【 4 谷庆杰萨北开发区阶段存水率和水驱指

24、数变化特征研究【 j 1 石油地 质与工程 2 0 1 1 ， 2 5 ( 1 ) ： 6 0 6 2 5张 锐 应 用存 水率 曲 线评 价油 田注 水效 果 fJ 石 油勘 探 与开 发 1 9 9 2 1 9 ( 2 ) ：6 3 6 8 6 张继风， 田晓东，郭玮琪， 等水驱油 田累积存水率与含水率理论关系 J 新疆石油地质 2 0 0 6 ，2 7 ( 4 ) ：4 6 6 4 6 7 7 咎立新 注水油田存水率、水驱指数标准曲线确定方法【 J j 石油勘探 与开发 1 9 8 7 ，( 3 ) ： 7 4 7 7 8 丁隆儒 一种计算存水率和驱油指数的新方法及其应用 油气采收 率技术 1 9 9 6 ， 3 ( 4 ) ： 3 5 3 8 9 聂仁仕， 贾永禄， 霍进， 等 实用存水率计算新方法及应用【 J 】 l油气地质 与采收率2 0 1 0 ， 1 7 (2 ) ： 8 3 8 6 1 O高博 禹， 王建波， 彭仕宓 广义存水 率及其应 用 J J 新疆石油 地 质 2 0 0 4 ， 2 5 ( 5 ) ： 5 4 1 5 4 3 1 1 项伟，宋考平， 朱君琼， 等萨尔图油田北二西区特高含水期注水开发 效果评价 J 石油钻探技术 2 0 0 9 ， 3 7 ( 5 ) ： 9 7 1 0 0