天然氣輸氣站工藝管道振動原因及減振措施

石來民

(國家管網集團浙江省天然氣管網有限公司, 浙江 杭州 310052)

1 概述

管道振動是天然氣管道尤其是調壓站、分輸站中常出現的問題,站內彎頭、三通、異徑管等較多,極易發生管道振動。

振動產生的原理較復雜,產生的形式亦多種多樣。國內外學者對引起管道振動的深層原因相對應的減振措施進行了廣泛的分析。張建偉等[1]驗證了泵站管道運行中存在混沌特性,以某灌區泵站管道為研究對象利用飽和關聯維數、最大Lyapunov指數等對管道振動響應的混沌特性進行分析與驗證,研究表明泵站管道不同工況下各測點振動響應均具有混沌特性,其中管道軸向及岔管處測點振動的混沌特性較強。李衛等[2]建立了隨機振動環境下液壓直管道設計模型并分析了管道結構參數對液壓直管道應力響應和位移響應的影響規律,采用基于遺傳算法的多目標優化算法對隨機振動環境下兩端固支液壓直管道的結構參數進行優化設計,對比分析了設計前后管道的應力響應和位移響應。余昊謙[3]采用CFX軟件中的RNGk-ε湍流模型對管道泵內部流場進行仿真計算,并結合Lighthill聲類比法對流體誘發噪聲在泵內、外的聲場進行數值模擬,探究肘形吸水室非均勻出流對管道泵內流場的擾動規律,分析管道泵內、外噪聲的輻射特性,為后續的管道泵降噪優化提供理論支撐。李樹勛等[4]基于ANSYS有限元分析軟件對往復式壓縮機管道振動問題進行流體壓力脈動計算與流固耦合模態分析,發現誘發管路振動的主要原因是流體壓力脈動頻率和管道機械固有頻率均落在了壓縮機激振頻率共振區內,增加防振管托可緩解管道振動問題。

此外,一些學者分析了電廠管道、空分機管道、柱塞泵等裝置中管道的振動原因及相應的減振措施[5-7],相關研究對筆者有很大啟發。本文對天然氣輸氣站工藝管道振動問題,采用現場測試和有限元模擬分析振動原因及管段固有頻率,結合實際工況提出減振措施。

2 管道振動原因

天然氣管道振動可分為機械導致的振動和流體導致的振動[8]。機械導致的振動原因可分為設計原因和安裝質量原因,流體導致的振動原因可細分為壓力脈沖原因和系統共振原因[9]。設計原因包括如壓縮機運轉時不平衡力和不平衡力矩。安裝質量原因包括基礎松動、地基沉降、支撐不穩、螺栓松動等[10]。壓力脈沖原因指壓縮機的吸排氣過程為周期性,當管道結構變化時,氣流流速降低壓強升高,沖擊管壁引起振動[11]。系統共振原因指壓縮機運轉頻率與管道固有頻率接近(機械共振)、氣柱頻率與管道固有頻率接近(氣柱共振)[12]。

3 現場測試

① 研究對象

本文研究對象為等徑三通(簡稱三通)及與其相連的部分管道。三通所在位置見圖1,圖1中三通及與其相連的管道1、管道2為研究對象。管道振動位置位于三通和入地彎頭處。該三通為清管三通,將發球筒管道和輸氣站出站管道相連接,以實現管道輸氣和清管功能。

圖1 三通所在位置

管道1外直徑為1 016 mm,壁厚18.4 mm,材質為碳鋼L485,彎頭前管段長度為900 mm,彎頭與三通之間管段長度為800 mm。彎頭為90°彎頭,外直徑1 016 mm,壁厚18.4 mm,彎曲半徑1 500 mm,材質為碳鋼L485。

管道2外直徑為1 016 mm,壁厚18.4 mm,材質為碳鋼L485。管道2三通左側管段長800 mm,右側管段長1 000 mm,后接一個45°彎頭(彎頭外直徑1 016 mm,壁厚18.4 mm,彎曲半徑6 000 mm,材質為碳鋼L485)連接至地下管道。管底距地面高度約1 500 mm。

三通外直徑為1 016 mm,壁厚18.4 mm,材質為碳鋼L485,彈性模量為2.06×1011Pa,泊松比0.3,密度為7 850 kg/m3,三通為地上水平敷設,管底距地面高度約1 500 mm。

該輸氣站出站流量達到62.5×104m3/h時,三通附近管道發生振動,當流量達到75.0×104m3/h時,振動加劇。

② 測點布置及氣體組成

確定現場檢測時的5個振動測點,測點位置見圖2。在管道出、入土點和發球筒處閥門處有位移固定點。按照ISO 10816-3:2009《振動監測的評估標準》,對振動測試結果進行評價。測試用天然氣組成見表1。

表1 測試用天然氣組成

圖2 測點位置

③ 測試振動狀態及固有頻率

錘擊法對錘子質量無要求,采用普通金屬錘子。

原理是不斷敲擊剛性物體(本文指管道本體),使之振動,產生沖擊力激振,通過輸入的力信號和輸出的響應信號進行傳函分析,得到最大的振動頻譜,即為測點固有頻率。錘擊法測試步驟如下。

a.測試狀態下,管道內天然氣壓力為6.3 MPa,溫度為20 ℃,此測試狀態下天然氣體積流量為1 008 400 m3/h。

b.將傳感器固定在測點位置,采用VIBXPERT振動信號采集分析儀測試管道振動狀態,選用振動加速度信號傳感裝置,收集測點振動數據。

c.采用普通金屬錘子在距離測點0.5 m范圍內分別沿水平和豎直方向敲擊管道本體,每個測點測試6 min。

d.對現場采集的振動數據進行時域分析(濾波預處理、信號放大、相關性分析等)、頻域分析(頻譜圖、功率譜等),從而確定測點復雜振動信號中的振動頻譜。

采用錘擊法測試管段固有頻率,得到測點1～5固有頻率。通過對脈沖響應的頻譜進行分析,可以得到某段管路固有頻率。分別測試測點1在水平和豎直方向上的振動頻譜,取測試時間內的振動加速度最大值。測點1在水平方向和豎直方向的振動頻譜見圖3。

圖3 測點1在水平方向和豎直方向的振動頻譜(軟件截圖)

由圖3可以看出,測點1在水平方向和豎直方向的固有頻率均為116 Hz,測點1在水平方向的振動頻譜中頻率為123 Hz的振動分量較大。

同理,可得到測點2～5在水平方向和豎直方向的振動頻譜。測點2在水平方向上的固有頻率為200 Hz,因其附近存在一個豎直方向的支撐,故測得的豎直方向固有頻率不明顯。測點3在水平方向和豎直方向的固有頻率均為198 Hz。測點4在水平方向和豎直方向的固有頻率均為284 Hz。測點5在水平方向上的固有頻率為288 Hz,在豎直方向上的固有頻率為272 Hz。

4 有限元仿真

針對管道振動原因不明等問題,運用有限元仿真軟件ANSYS對研究對象建立有限元模型,獲得不同階次(振動頻率可分為一階振動頻率和二階振動頻率等)管道固有頻率和振形,計算出復雜管系的氣柱頻率(管道內介質產生的頻率)并與固有頻率進行對比,實現管道振動原因的有效判定。

調用Acoustic聲學模塊建立有限元模型。按管道實際敷設布局進行建模,設置管材密度、彈性模量、泊松比。在管道出、入土點和發球筒處閥門處設置位移固定點。輸入測試狀態下管道內天然氣(按純甲烷模擬)參數。

通過對管道進行模擬,可以獲得不同階次管道振形,并計算出復雜管系的氣柱頻率[13],與固有頻率進行對比,實現管道振動原因的有效判定。

① 管道振形

仿真計算所得管道振形見圖4?？梢钥闯?管道2既有豎直方向的振動,也有水平方向的振動,而管道1主要為水平方向的振動。

圖4 管道振形(軟件截圖)

② 管道壓力云圖

建立管道振形向量方程并利用子空間迭代法(Subspace法)對管系結構進行模態求解[13],利用ANSYS軟件分析,計算出管系結構前2階氣柱頻率。

模擬計算得出一階氣柱頻率為117.8 Hz,一階氣柱頻率絕對壓力云圖見圖5(圖5、6中色階數值相應的單位為MPa)。一階氣柱主要作用于管道2上,該氣柱因管道2自身聲學閉口的存在而產生,與管道2中測點1的固有頻率116 Hz接近。

圖5 一階氣柱頻率絕對壓力云圖(軟件截圖)

模擬計算得出二階氣柱頻率為128 Hz,二階氣柱頻率絕對壓力云圖見圖6。二階氣柱主要作用于管道1上,對管道2產生沖擊作用,與測點1水平方向較大振動分量對應的頻率123 Hz接近,即測點1固有頻率與氣柱頻率產生共振,導致管道振動。

圖6 二階氣柱頻率絕對壓力云圖(軟件截圖)

5 管道振動原因及減振措施

通過分析可知,管道振動由流體導致,屬于系統共振原因導致的振動。此管道的減振措施主要考慮增加管道剛度和改變管道的固有頻率以避開共振區,具體措施如下。

① 改變管道配管方案

將三通至測點3直管段縮短0.4 m以增加其剛度。仿真計算顯示,將直管段縮短0.4 m可使測點3水平方向和豎直方向的固有頻率均從開始的198 Hz提高至334 Hz,有效避開氣柱頻率的共振區。

② 增加管道支撐

管道上增加支撐,可提高管道的剛度。將測點3附近管道滑動支撐改為固定支承,可降低管道振動速度。經現場測試,最大振動速度降低46%。