往復式壓縮機管道應力分析方法

余婷，蒲紅宇，吳艷冰，廖軍睿，張宗嵐

（西南石油大學土木工程與建筑學院，四川 成都 610500）

往復式壓縮機管道應力分析方法

余婷，蒲紅宇，吳艷冰，廖軍睿，張宗嵐

（西南石油大學土木工程與建筑學院，四川 成都 610500）

本文提出了運用CAESARII、AUTOPIPE和PULS軟件對往復式壓縮機管道進行管道應力分析的方法，并以某氣田天然氣壓縮機為實例，分別建立了其進、排氣管線的應力分析模型和聲學模擬模型，并完成了其管道的應力分析計算。

壓縮機；管道；應力分析；振動；共振

在天然氣開發與運輸的增壓領域，往復式壓縮機以其進、排氣壓力的覆蓋廣泛，能源效率表現卓越且故障率低等優點得到了較為廣泛的應用[1-3]。一般工況條件下，由于往復式壓縮機的工作特性，其引起的壓力不均勻易導致管線出現異常振動的現象。在實際工作中，強烈的管道振動存在嚴重的安全隱患，易導致泄漏及爆炸等危險，造成財產損失，并對人身安全構成威脅。而上述情況的產生，主要是由于管道的振動會加劇管線連接處的松動與破壞。因此，從設備的安全性、穩定性角度考慮，結合工程實際出發，對壓縮機與管道的連接進行科學合理的力學分析。

1 分析方法

考慮到不同的壓力計算軟件具有不同技術優勢與特點，本次分析中聯合采用CAESARII、AUTOPIPE和PULS三個軟件。其中AUTOPIPE和PULS用于模擬壓縮機內的氣流脈動情況，計算壓縮機管道內壓力不均勻度，并得到氣流脈動引起的振動荷載；而CAESARII用于對各種荷載進行綜合處理。

1.1 荷載的選取

應力分析時應該考慮的荷載包括壓力荷載、持續性荷載、溫度荷載和振動荷載。具體荷載的確定按照ASMEB31.3或者GB50316-2000和GB/T20801-2006的要求進行[4-6]。

1.2 邊界條件的處理

應力分析的邊界條件主要包括三類：壓縮機管道力學模擬的邊界條件，埋地管道的特殊處理，壓縮機聲學模擬的邊界條件。

1.2.1 力學模擬邊界條件

通常來說，力學模擬的邊界條件分為以下三個部分：（1）位移邊界條件，其主要包括壓縮機管系各約束點的約束條件、附加位移等。（2）力邊界條件，其主要包括管系的集中荷載和分布荷載等。（3）彈簧邊界條件。在實際工作中，往復式壓縮機管線的模擬時邊界條件也主要體現在這三種條件上，約束條件往往位于管道的支架，支撐點及管道的起止點等位置，其中管道與設備的連接位置對應于位移條件，而氣流脈動引起的異常振動載荷則對應于力邊界條件。

1.2.2 埋地管道的處理

實際情況下，壓力和溫度變化均會導致管道產生很大的軸向應力，軸向限制是埋地情況下管線的最大受力特點。在土壤與管道的力學分析中，軸向摩擦力與橫向推力的模擬方法決定了分析結果的準確性。一般認為，由于管道橫向位移的存在，才引起了土壤對管道軸向摩擦力的反作用力。與管道橫向位移所對應，土壤會產生橫向推力的反作用力。采用雙線性彈簧約束模擬土壤對管道的作用，是進行埋地管道應力分析時普遍采用的方法。

1.2.3 聲學模擬邊界條件

聲學模擬邊界條件主要體現在聲學模擬開端、閉端的處理上。在聲學模擬實驗中，我們采用PULS軟件進行。參照PULS軟件相關參考資料可知，該軟件中的邊界條件主要分為開源條件，閉源條件，無響應端及往復式壓縮機四種情況。

2 工程實例

2.1 壓力不均勻度的計算

圖1為建立的壓縮機進排氣管線的PULS分析模型，圖2給出了部分壓縮機模擬管點的壓力脈動圖，經過計算可知壓縮機進氣管線的壓力不均勻度小于2，而排氣管線的壓力不均勻度小于5，均滿足控制規范的要求。

圖1 壓縮機進排氣管線PULS分析模型

2.2 模態分析結果

本例中分析的壓縮機為單作用壓縮機，其分析時轉速為440RPM，其激振頻率為7.333Hz。取0.8～1.2倍的管系固有頻率（進氣管線的一階自然頻率為11.445Hz，排氣管線的一階自然頻率為9.794Hz）作為共振區，那么進氣管線共振區范圍為9.156～13.734Hz，排氣管線的共振區范圍為7.8352～11.7528Hz。由此可見激振頻率避開了共振區范圍，不可能發生共振。

2.3 應力分析結果由于往復式壓縮機管系的復雜性，文中只給出部分重要管點（三通、彎頭）的應力分析結果，見表1。從分析結果可以看出，壓縮機排氣管道的應力明顯大于進氣管道，但其應力分布均滿足規范的控制要求。

TB652

A

1671-0711（2016）10（下）-0083-02