干线石油管道振动的ANSYS分析.pdf

2 01 1正 第 2期 管 道 技 木 Pi pe l i n e Te c hn i q u e 设 各 2 0 1 1 No ． 2 干线石油管道振动的 A N S Y S分析 刘峻伸 ， 吴明 ， 李少鹏。 ， 孙维 ， 孙文学 ， 田 浩 1 ． 辽 宁石油化工大学油气储运工程系 ， 辽宁抚顺1 1 3 0 0 1 ； 2 ． 辽河油 田油建一公 司 ， 辽宁盘锦1 2 4 0 0 1 ； 3 ． 抚顺石化设计院 ， 辽 宁抚顺1 1 3 0 0 1 摘要 针对常见的管道振动情况， 通过分析得 出其主要原因是管系结构固有频率与激发主频率相 近而造成共振 。管道 系统振动的原 因主要有两方面 介质对管道 系统产生的振动力， 即激发信号 ， 如分 支节点部位产生的振动力； 对激发信号的响应， 其响应除 了和激发信 号的波形有关外， 还和管道 系统本 身的特征， 即系统的刚度、 质量及其配置等情况有关。通过理论计算得到泵的激发主频率， 再利用A N S Y S分析软件对管系进行模 态分析 ， 得到 系统的低阶 固有频率和振型。计算表明， 激发主频率与低阶固 有频率相近。在不改变管系主要特征和管道结构的基础上 ， 给 出了简单 易行的减振措施 ， 具有重要 的 指 导 意义 。 关键词 管道振动 ； A N S Y S ； 模 态分析 ； 减振措施 中图分类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 1 0 2 0 0 1 6 0 4 Vi b r a t i o n Ana l y s i s f o r Pi pi ng Co n ne c t e d wi t h Re c i pr o c a t i ng Co mpr e s s o r b y Us i n g ANSYS L I U J u n ． s h e n ， WU Mi n g ， L I S h a o ． p e n g ， S UN We i 。 ， S UN We n x u e ， T I AN Ha o 1 ． D e p a r t me n t o f O i l Ga s S t o r a g e a n d T r a n s p o r t a ti o n， L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m C h e mi c a l Te c h n o l o g y， F u s h u n 1 1 3 0 0 1， Ch i n a ； 2 ． Li a o h e P e t r o l e u m Ex p l o r a tio n Bu r e a u Oi l Fi e l d En g i n e e r i n g Co n s t r u c tio n 0 f A C o mp a n y ， P a n j i n 1 2 4 0 0 1 ， C h i n a ； 3 ． F u s h u n P e t r o c h e mi c a l D e s i g n I n s ti t u t e ， F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C hin a Ab s t r a c t Wi t h r e s p e c t t o t h e v i b r a t i o n t h a t c o mmo n l y o c c u r s i n c o mp r e s s o r p i p i n g ， a n a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t i n t h i s p a p e r ． T h e ma i n c a u s e i s p r o b a b l y t h a t t h e i n h e r e n t fr e q u e n c y o f t h e p i p i n g s y s t e m i s c l o s e t o t h e e x c i t a t i o n fre q u e n c y s o a s t o f o r m r e s o n a n c e ． B y t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n， t h e f o rm e r e i g h t f r e q u e n c i e s e x c i t e d f r o m t h e c o mp r e s s o r w e r e o b t a i n e d ． T h e n ， b y u s i n g AN S Y S， t h e mo d al a n a l y s i s for t h e i n h e r e n t f r e q u e n c y o f t h e p i p i n g s y s t e m w a s c a r r i e d o u t ， f r o m wh i c h t h e l o w i n h e r e n t f r e q u e n c y a n d v i b r a t i o n mo d a l s o f t h e s y s t e m w e r e a l s o o b t a i n e d ． Ba s e d o n t h e a n aly s i s ， t h e f a c t t h a t t h e i n h e r e n t f r e q u e n c y o f t h e p i p i n g s y s t e m f a l l s i n t o t h e r e s o n a n c e a r e a h a s b e e n v e ri fi e d ． F i n a l l y ， a f e a s i b l e m e t h o d t o r e d u c e t h i s v i b r a t i o n o n t h e b a s i s o f k e e p i n g t h e m a j o r c h ara c t e r i s p r e s e n t e d， wh i c h c a n b e o f s i g ni fic a n c e t o pr a c t i c a l e ng i n e e rin g． Ke y wo r d s p i p i n g v i b r a t i o n； ANS YS； mo d a l a n a l y s i s ； me t h o d t o r e d u c e v i b r a t i o n 0 引言 在生产实践中， 管道的强烈振动会使管路附件尤 其是管道 的连接部位 、 管道与附件的连接部位和管道 与支架的连接部位等处发生磨损松动。在振动产生 的交变应力作用下 ， 导致疲劳破坏 ， 发生管线断裂 、 介 质外泄 ， 甚至引起严重 的生产事故。因此 ， 对强烈振 动的管道 ， 分析其产生原因并给出相应的减振措施具 有重大意义⋯。在工业生产 中出现的事故 ， 在很大程 度上是 由管道造成 的， 因此采取合理的设计和措施 是 防止管道出现事故的重要途径 。 收稿 日期 2 0 1 0一 仇 一1 2 收修改稿 日期 2 0 1 01 1 0 2 1 管道振动带来的危害 在工业生产 中， 由于高温 、 高压管 道 内介质周期 性 和间歇性气流脉动、 液流冲击 等引起管道振动， 造 成多方面危害。主要表现为 J 引起设 备基础变形 ， 部件损坏及仪表系统失灵； 增加功耗， 增大噪音， 降低 设备的有效功率 ； 严重 的管道振动会使管道构件产生 疲劳破坏 ， 造成输送流体泄漏 ， 引起流体爆炸 、 燃烧。 2 管道振动原因及相关理论 2 ． 1 管道振动力学相关理论 输油管道振动是一类特殊的机械运动 J ， 是典型 的力学现象。由管道 、 管道 附件 、 容器 、 支架等构成 了 一 个复杂的机械结构系统 ， 当受到激振力激发后产生 第2 期 刘峻伸等 干线石油管道振动的A N S Y S分析 机械振动响应 ， 即为通常所说的管道振动。当激振力 的频率与管系的固有频率之一相等或相近时 ， 就形成 了机械共 振 ， 此 时 出现 最大 的振动 幅度。当激发 频 率 、 油气 固有频率 、 管系的 固有频 率三者相等或 相近 时 ， 便 出现最严重的管道振动。 2 ． 2流体压力脉动诱发振动理论分析 当管道有压力波动时 J ， 这种压力脉动产生的是 周期性 的激励 ， 也属 于简谐 振动 。以单质 点体 系 为 例 ， 设简谐振动激励为 Q t Q o s i n o J t 式中 。 为单位质量所受力 幅； 0 9为外激励频率 ； t 为 时 间。 系统的运动方程可表达为 ， k xQ s i n t o t f 1 2 m x 2 Q o s i n t o t 2 式 中 ∞ 为无阻尼 固有角频率 ， r a d ／ s ； m为质量 ； 为 变量； c为常数； 为阻尼 比； k为 k阶矩 阵； Q为激振 力幅值 ， 无量纲。 由振动理论可知 ， 式 1 中的稳态解为 X t B s i n t o t 3 式中 X t 为 质 点 振 动 位 移 ； B 为 宽 度，B 二 垒 ； 为 角 度 ， 眦 t 三 丽； 为 角 度 ，咖 眦 诅 “ ． On -- O ． B ． √ [ 1 _ 二 一 f 4 、 ／／ 1 一 叼 2 一 式中 为激振力下产生的宽度形变 ； r ／ 为频率 比。 由式 4 可知， 影响强迫 振动的三大 因素是 、 叼 、 ． 3 管道振动与有限元分析 3 ． 1 有 限元 法 对复杂空间管系动态特性分析的方法 中 ] ， 有 限 元法是较好 的一种数值计算方法。与普通的有限元 方程相 比， 流体输送管道 的有限元动力学 建模 的核心 问题是如何处理液体流速产生 的哥 氏力 以及边 界条 件。若计入哥 氏力的影响 ， 有 限元动力学方程 中出现 陀螺矩阵， 一般将该问题转化到状态空间求解 。 3 ． 2 用有限元方法分析管 系的振动特性 具体方法步骤为 建模 ； 单元划分 ； 材料特性选取 与约束条件 的建立 ； 构成 刚度和质量矩阵 ； 求解动特 性 ； 分析结果。 4 管道结构 固有频率的计算 4 ． 1问题描述 某泵站输送 管系， 在生产运 行 中机械振动很 大， 不能按设计流量满负荷运行 。主要参数如下 材料为 A 4， 直管段 D N1 5 0尺寸为 1 6 8 ． 3 f i l m 7 ． 1 mm， 弯头 的曲率半径 尺 2 2 8 ． 5 m m、 尺寸为 1 6 8 ． 3 m m 7 ． 1 m m； 直管段 D N 8 0尺寸为 8 8 ． 9 mm X 4 ． 0 m m， 弯头 的曲率半 径 R 1 1 4 ． 5 I n n l 、 尺 寸 为 8 8 ． 9 mm 4 m m； 杨氏模量 E 2 ． 11 0 P a ； 泊松比／ z 0 ． 3 。 4 ． 2管道建模 管系 I 有限元模型如 图 1所示 ， 共 划分 1 6个单 元 、 2 3个节点 。节点 3与节点 2之 间的管段 长度 2 1 I l l ； 节点 2与节点 1 之间的直管段长度为 8 ． 9 5 1T I ； 节点 1 与节点 4之 间的直管段长度为 1 0 m； 节点 4与节点 5之间的直管段长度为 2 1 ． 2 0 m； 节点 5与节点 6之间 的直管段长度为 3 3 ． 3 0 1 1 1 ； 节点 6与节点 7之 间的直 管段长度为 4 m； 节点 7与节点 8之 间的直管段长度 为 1 1 ． 2 m． 节点 4、 节点 5和节点 7施加距地面 2 m的 弹性支承 ， 胡克系数为 1 ． 3 51 0 。 N ／ m； 节点 3和节点 8施加全约束 。 图 l 管系 I 有 限元模型 图 利用 A N S Y S软件对管系 I 进行了模态分析 ， 得出 管系 I固有频率 ， 如表 1 所示 ， 第 2 4阶振动时的振型 如图 2所示 。 图 2 第 2 4阶振动 时的振型 图 l 8 Pi p e l i n e Te c h n i q u e a n d Eq u i p me n t 由表 1可知 ， 第 2 4阶频率 与激振 的主频率 7 ． 5 1 0 H z 接近， 易发生共振 。由图 2可见 ， 节点 1 3和节 点 5 l 9处变形较大。第 2 4阶振动的 x , y 、 方向振型图及 o 总振型图如图 3～图6所示。 鬯 Mfi r ． 2 01 1 表 1 管系 I固有频率 H z 项 目 频率 项 目 频率 第 1阶0 ． 1 2 0 9 9 第 1 6阶 3 ． 7 5 6 6 第 2阶0 ． 2 1 1 5 4 第 1 7阶 3 ． 9 8 0 6 第 3阶0 ． 2 3 6 7 1 第 1 8阶4 ． 4 2 4 6 第 4阶0 ． 4 0 6 5 4 第 1 9阶4 ． 6 9 1 6 第 5阶0 ． 6 0 6 2 4 第 2 0阶 5 ． 0 7 4 9 第 6阶0 ． 6 7 5 0 6 第 2 1阶 5 ． 8 1 4 2 第 7阶0 ． 8 2 0 0 5 第 2 2阶 6 ． 3 0 6 6 第 8阶0 ． 9 4 6 5 7 第 2 3阶 6 ． 7 1 9 6 第 9阶 1 ． 4 3 3 2 第 2 4阶 7 ． 5 7 7 3 第 1 O阶 1 ． 9 2 6 1 第 2 5阶8 ． 2 0 8 5 第 l 1 阶 2 ． 0 3 0 2 第 2 6阶8 ． 3 7 9 4 第 1 2阶 2 ． 2 3 4 7 第 2 7阶8 ． 4 8 7 5 第 1 3阶 2 ． 5 5 5 2 第 2 8阶 8 ． 7 9 1 8 第 l 4阶 2 ． 7 5 1 3 第 2 9阶 9 ． 3 4 6 4 第 l 5阶 3 ． 1 9 6 5 第 3 O阶 1 0 ． 2 0 1 圈3 不同节点第2 4阶振动的 方向振型图 图 4 不 同节点第 2 4阶振动的 Y方 向振型 图 方 向振型较大的点有 1 3节点和 1 6节点 ， y方向 振型较大的点有 7节点 、 1 7节点和 1 9节点， z 方 向振 型较大的点有 1 3节点 、 1 7节点和 2 0节点。 将管系 I 中 4节点和 5节点之间的编号为4的单 元的密度 由7 8 5 0 k g ／ m 降为7 0 0 0 k g ／ m’ ， 修改前后 求解的固有频率见表 2 。 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 节点号 图 5 不同节点第 2 4阶振动的 z方向振型图 ■蕾 乩a日 ‘ 口r I _ t I P． 1 日≈ I ● j 霸 _|盯 I ， ／ f ， m．a ． 】 Ⅲ 1 ／ I b _ ∞哪i ’ 哪‘ ， ． 口州啪。 Ol ， Ⅲ ． 洲O ， ‘ 能 嗍 ． 嘲。 蛐t | ．口 能 图 6 第 2 4阶总振型 图 表2 改变管线密度前后求解的固有频率比较 H z ⋯． 改进前 改进后 项 目 兰 前 改 兰 后 项 目 频 率 频 率 频 率 频 率 第 1阶0 ． 1 2 0 9 9 0 ． 1 2 4叭 第 1 6阶 3 ． 7 5 6 6 3 ． 7 8 6 8 第 2阶0 ． 2 1 1 5 4 0 ． 2 1 4 7 5 第 1 7阶 3 ． 9 8 0 6 4 ． 0 2 9 0 第 3阶0 ． 2 3 6 7 1 0 ． 2 3 7 6 2 第 l 8 阶4 ． 4 2 4 6 4 ． 4 4 8 2 第 4阶0 ． 4 0 6 5 4 0 ． 4 1 0 7 1 第 1 9阶4 ． 6 9 1 6 4 ． 7 6 0 8 第 5阶0 ． 6 0 6 2 4 0 ． 6 0 9 3 7 第 2 0阶 5 ． 0 7 4 9 5 ． 1 5 8 9 第 6阶0 ． 6 7 5 0 6 0 ． 6 7 8 7 1 第 2 1阶 5 ． 8 1 4 2 5 ． 8 7 9 2 第 7阶0 ． 8 2 0 0 5 0 ． 8 3 2 2 5 第 2 2阶 6 ． 3 0 6 6 6 ． 3 4 6 0 第 8阶0 ． 9 4 6 5 7 0 ． 9 5 1 1 7 第 2 3阶 6 ． 7 1 9 6 6 ． 7 4 7 7 第 9阶 1 ． 4 3 3 2 1 ． 4 5 6 8 第 2 4阶 7 ． 5 7 7 3 7 ． 6 3 1 7 第 1 0阶 1 ． 9 2 6 1 1 ． 9 6 6 2 第 2 5阶8 ． 2 0 8 5 8 ． 2 5 8 1 第 1 1阶2 ． 0 3 0 2 2 ． 0 7 3 7 第 2 6阶8 ． 3 7 9 4 8 ． 4 1 5 0 第 1 2阶 2 ． 2 3 4 7 2 ． 2 5 4 1 第 2 7阶8 ． 4 8 7 5 8 ． 5 1 2 7 第 1 3阶 2 ． 5 5 5 2 2 ． 5 5 8 9 第 2 8阶8 ． 7 9 1 8 8 ． 8 4 8 8 第 1 4阶2 ． 7 5 1 3 2 ． 7 8 0 8 第 2 9阶 9 ． 3 4 6 4 9 ． 3 9 1 3 第 1 5阶 3 ． 1 9 6 5 3 ． 2 1 8 2 第 3 O阶1 0 ． 2 0 1 1 0 ． 2 4 7 由表2可见， 改变后求解固有频率与原固有频率 比较 ， 通过减小密度来减小管线质量 ， 使 固有频率增 加。 将管系 I中4节点和 5节点之间的编号为4的管 单元壁厚由 7 ． 1 m m降低为 2 ． 3 7 mm． 修改前后求解 的固有频率见表 3 。 由改变后求解 的固有频率 与原固有频率 比较可 知， 通过改变管线几何尺寸来 改变刚度 ， 可以改变管 系固有频率来减振 。 ● “ ／ ， 广， 第2期 刘峻伸等 干线石油管道振动的 A N S Y S分析 l 9 表 3 改变管线壁厚前后求解的固有频率比较 H z 改进前 改进后 改进前 改进后 项 目 频率 频率 项频率 频频率 频率 第 1阶0 ． 1 2 0 9 9 0 ． 1 2 8 3 9 第 l 6阶 3 ． 7 5 6 6 3 ． 6 7 4 6 第 2阶0 ． 2 1 1 5 4 0 ． 2 3 0 2 9 第 1 7阶 3 ． 9 8 0 6 3 ． 8 5 6 7 第 3阶0 ． 2 3 6 7 1 0 ． 2 3 4 7 6 第 1 8阶4 ． 4 2 4 6 4 ． 2 1 2 0 第 4阶0 ． 4 0 6 5 4 0 ． 3 9 2 3 7 第 1 9阶4 ． 6 9 1 6 4 ． 8 6 8 1 第 5阶0 ． 6 0 6 2 4 0 ． 5 8 0 8 O 第 2 O阶 5 ． 0 7 4 9 5 ． 3 0 4 3 第 6阶0 ． 6 7 5 0 6 0 ． 6 2 2 4 8 第 2 1阶 5 ． 8 1 4 2 6 ． 0 5 1 1 第 7阶0 8 2 0 0 5 0 ． 8 0 5 1 8 第 2 2阶 6 ． 3 0 6 6 6 ． 5 2 0 5 第 8阶0 ． 9 4 6 5 7 0 ． 8 5 9 7 2 第 2 3阶 6 ． 7 1 9 6 7 ． 1 4 0 1 第 9阶 1 ． 4 3 3 2 1 ． 3 7 5 6 第 2 4阶 7 ． 5 7 7 3 7 ． 6 1 6 9 第 l O阶 】 ． 9 2 6 1 2 ． 0 4 0 5 第 2 5阶 8 ． 2 0 8 5 8 ． 0 4 0 3 第 1 1阶 2 ． 0 3 0 2 2 ． 1 2 5 9 第 2 6阶8 ． 3 7 9 4 8 ． 4 8 4 8 第 1 2阶 2 ． 2 3 4 7 2 ． 3 0 2 7 第 2 7阶8 ． 4 8 7 5 8 ． 5 2 0 l 第 1 3阶 2 ． 5 5 5 2 2 ． 4 7 1 2 第 2 8阶8 ． 7 9 1 8 8 ． 8 6 3 1 第 1 4阶 2 ． 7 5 1 3 2 ． 6 9 8 3 第 2 9阶 9 ． 3 4 6 4 9 ， 4 6 0 0 第 l 5阶 3 ． 1 9 6 5 3 ． 0 7 6 5 第 3 O阶1 0 ． 2 0 1 1 0 ． 4 7 0 5 具体消振方案 5 ． 1 减振方案 1 从管系 I 的图表中可以看出， 节点 l 3是 戈方 向最 大位移点 ， 节点 l 9是 Y方 向最大位移点 ， 节点 2 O是 z 方向最大位移点。最后求解频率需要避 开激振频率。 拟减振措施为约束节点 l 9的 Y向 自由度 ， 在 2 0节点 加全约束 ， 最后在 1 3节点处加 向约束 。 5 ． 2 减振方案 2 从管系 I的变形 图中可以看出 ， 节点 1 3和 1 4是 变形大位移点， 节点 l 9和 2 0也是大位移点 ， 1 6节 点 和 1 7节点处变形也很明显 。最后求解频率需要避开 激振频率 。拟减振措施为7节点的刚度提高 2个数量 级； 节点 l 7和节点 2 0加固定支撑 ； 约束 节点 1 4的 方向的位移 ； 约束节点 1 9的 Y方向位移。两种减振方 案如表 2和表 3所示 ， 两方 案求解后的固有频率均避 开了激振频率， 达到了减振的目的。方案 2从措施实 施上看更优于方案 1 。 6 结束语 通过上述分析 ， 此管系的振 动原 因主要是管系的 支承位置和支承刚度不合理。因此 ， 使管系结构 的固 有频率和激振力频率相 接近， 产生共振现象 ， 导致管 系振动过大。 提高结构的 固有频率值可 以有效避免共振 。有 效的措施 是在合适 的位置施加相应约束条件 。施 加 新的约束条件后 ， 管线结构的固有频率值有了明显提 高 ， 避开 了与激发频率 的共 振区 ， 消减 了由共振引起 了管道剧烈振动。 文 中所采用的 A N S Y S模态分析方法 ， 与现实结果 十分吻合 ， 从而也为此类工程 问题提供 了一种新的分 析方法和途径。采用减振的方法， 将振 动能量传递或 消除 ， 是解决该问题的优选方法 。 参考文献 [ 1 ] 邓凡平． A N S Y S 有限元分析 自学手册． 北京 人民邮电出 版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 余伟炜， 高炳军 ， 陈宏军． A N S Y S 在机械与化工装备中的 应用． 2版． 北京 中国水利水电出版社， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 陈长征， 胡立新． 设备振动分析与故障诊断技术． 北京 科 学出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 张立翔， 黄文虎． 输流管道流固耦合振动研究进展． 水动 力学研究与进展 ， 2 0 0 0， A 1 5 3 3 3 6 3 7 9 ． [ 5 ] 邢存柱， 潘进芳． 关于管道减振技术问题的分析． 煤炭技 术 ， 2 0 0 2 ， 2 1 7 6 5 6 6 ． [ 6 ] 张智勇， 沈荣赢 ， 王强． 充液管系轴向振动响应计算研究． 噪声与振动控制， 1 9 9 9 5 58 ． 作者简介 刘峻伸 1 9 8 2 一 ， 硕士研究生， 研究方向为干线输油 管道振动 上接 第 1 2页 降的基础上 ， 再选择 P a n A 公式进一 步精确拟合压降。 3 管径对粗糙度和输送效率在不 同摩阻计算公 式中的敏感程度和计算结果均有一定影响。 4 粗糙度越小， 压降越小。在粗糙度较小时对 压降较为敏感 ， 而 当粗糙度大 于 0 ． 1 5 m m 以后 ， 会逐 渐变得不敏感。在粗糙度小时， 调整其值是 比较有效 的。输送效率越低 ， 压降越大。在输送效率较小 的范 围， 输送效率的影响更为 敏感 ， 输送效率增大 ， 敏感性 降低 ， 曲线随输送效率 的增加而不断变平缓。在输送 效率小时， 调整其值是比较有效的。 文中的研究成果解决 了在应用 T G N E T仿真软件 时， 如何选择最合理摩阻公式 和如 何有效调节敏感参 数 ， 以保证计算精度 ， 缩短计算时间， 对工程技术人员选 用摩阻公式机理以及指导软件模拟具有实际参考价值。 参 考文献 [ 1 j 俞渭淼 ， 薰旭． T G N E T计算程序和气体管道设计计算． 油 气储运 ， 1 9 9 2 8 91 3 ． [ 2 J 杨晓鸿， 朱薇玲． 粗糙度对输气管道摩阻系数的影响． 石 油化工设备 ， 2 0 0 5 1 2 52 8 ． [ 3 ] 吴玉国， 陈保东， 郝敏． 输气管道摩阻公式． 油气储运， 2 0 0 3 1 1 7 2 2 ． 作者简介 姚麟昱 1 9 8 3 一 ， 工程师， 硕士， 从事天然气管网规 划、 工艺设计等研究工作。