搜索工藝管線振動(dòng)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(dòng)力傳輸、傳動(dòng)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(dòng)力源不可避免地產(chǎn)生壓力脈動(dòng),從而引起管道的振動(dòng),使管道系統(tǒng)難以穩(wěn)定工作。當(dāng)壓力脈動(dòng)的諧振頻率與管道結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)會(huì)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(dòng)態(tài)特性、尋求合理的管道結(jié)構(gòu)參數(shù)、減少管道振動(dòng)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(dòng)力源產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)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(jìn)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(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)下發(fā)生劇烈振動(dòng),威脅生產(chǎn)安全。酮苯脫蠟裝置往復(fù)式壓縮機(jī)為過濾機(jī)提供氮?dú)?該機(jī)組由4臺往復(fù)式壓縮機(jī)組成,正常工作時(shí)3臺運(yùn)轉(zhuǎn)、1臺備用。在劇烈振動(dòng)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(dòng)會(huì)加速疲勞并導(dǎo)致裂紋擴(kuò)張,是一個(gè)潛在的危險(xiǎn)因素。與每臺往復(fù)式壓縮機(jī)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(dòng),出口管線、安全管線、平衡管線有不同程度的振動(dòng),其中平衡管線振動(dòng)最為強(qiáng)烈。
系統(tǒng)主要參數(shù):管線材質(zhì):200;介質(zhì):氮?dú)?平衡管線:+108 mm x 4 mm;閥門型號:Z41h 一76CDN100;壓縮機(jī)型號,4L-65/0.4 一0.7 一1;壓縮機(jī)型式:L型雙缸二級復(fù)動(dòng)水冷;電機(jī)轉(zhuǎn)速:428r/min;壓縮級數(shù):2。
2 管線振動(dòng)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(dòng),其中平衡管線的振動(dòng)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(jī)組的J-6/3管線進(jìn)行振動(dòng)檢測。利用磁座將速度傳感器固定于管線外壁上,振動(dòng)經(jīng)磁座傳到傳感器,傳感器將管線振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換成電信號,通過傳輸電纜輸入CAMD-6100型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障斷系統(tǒng),對現(xiàn)場管線進(jìn)行振動(dòng)時(shí)域分析以及譜分析。
平衡管線與壓縮機(jī)位置如圖1所示。
各線段長度為(單位:mm):AB=900,BC=900,CD=250,DE=2 000,EF=240。各測點(diǎn)的相關(guān)譜圖如圖2所示。
從譜圖的情況可以得出以下推論:
l) 從時(shí)域波形的幅值角度來看,越是靠近壓縮機(jī)出口處,振動(dòng)幅值越大(測點(diǎn)1,2),測點(diǎn)1的東側(cè)的速度峰峰值達(dá)到了221. 96 mm/s,測點(diǎn)2的東側(cè)的速度峰峰值達(dá)到了157.79 mm/s。
2) 從時(shí)域波形的復(fù)雜程度角度來看,越是遠(yuǎn)離壓縮機(jī)出口處,振動(dòng)情況越復(fù)雜。從圖中可以明顯看出,測點(diǎn)3,4的振動(dòng)時(shí)域圖要比測點(diǎn)1,2的振動(dòng)時(shí)域圖復(fù)雜得多。
3) 大部分測點(diǎn)的功率譜顯示,在激勵(lì)的二倍頻率附近振動(dòng)加強(qiáng),可以設(shè)想:管系的某階固有頻率恰在激勵(lì)的2倍頻率附近,所以導(dǎo)致管系共振。
4) 振動(dòng)主要在水平平面內(nèi)振動(dòng),在豎直平面的振動(dòng)相對較弱。在測點(diǎn)2,3,4的上方時(shí)域波形的峰峰值就相對于水平方向的峰峰值小,其中測點(diǎn)2最為明顯。
3 計(jì)算過程
3.1 模擬計(jì)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(shí)驗(yàn)室用ANSYS進(jìn)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(shí)際情況加載約束,在自由端處進(jìn)行全約束,建模如圖3所示。
3.1.2 計(jì)算結(jié)果 對以上建立的模型進(jìn)行振動(dòng)特征值分析、特征向量分析和振動(dòng)模型分析,取控制振動(dòng)模型個(gè)數(shù)為10,頻率范圍為0--10 000 Hz,進(jìn)行求解。經(jīng)計(jì)算,管線振動(dòng)的一階頻率為53.355 Hz。
3.2 理論計(jì)算
按照美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API-618API-618,多級或多缸的壓縮機(jī)脈動(dòng)頻率計(jì)算公式:
f = mn/6 0
式中:f—激發(fā)(脈動(dòng))頻率,Hz;
n一轉(zhuǎn)速 ( n =428),r/min;
m一壓縮機(jī)每轉(zhuǎn)激發(fā)次數(shù),雙缸雙作用式m=4 。
所以壓縮機(jī)的激發(fā)頻率為:
f = 4 x 428 /60 = 28.53
氣體脈動(dòng)二倍頻2f=28.53 x 2=57.06 Hz,而管線振動(dòng)的一階頻率為53.355 Hz,基本位于激勵(lì)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(dòng)頻率約為激勵(lì)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(dòng)原因,結(jié)合車間具體情況,提出以下改造方案。
1) 改變電機(jī)轉(zhuǎn)速
適當(dāng)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而改變氣體的脈動(dòng)頻率,這樣避開了機(jī)泵與管線的公共頻率點(diǎn),避免產(chǎn)生共振,從而大大降低管線振動(dòng)。
2) 改變管線固有頻率
當(dāng)管線的固有頻率與激振力頻率接近時(shí)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(dòng)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(shí)應(yīng)有一定彈性,以吸收管道部分振動(dòng)能量,如在固定管卡與管道之間襯以軟木或橡膠墊。同時(shí)盡量避免直角度彎頭和大落差。
4) 在壓縮機(jī)出口加緩沖罐
在壓縮機(jī)出口增加一個(gè)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(dá)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(dòng)衰減效果。
5) 在壓縮機(jī)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(dòng)駐波,在遇到障礙(指管件)時(shí)都會(huì)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。
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