关于往复式压缩机入口管管卡合理布置的研究.pdf

第 50 卷 第 3 期2023 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.50,No.32023引用格式:王高杰,李慧芳,卢敬田,等.关于往复式压缩机入口管管卡合理布置的研究J.北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(3):76-82.WANG GaoJie,LI HuiFang,LU JingTian,et al.Rational arrangement of the pipe鄄clamps on the inlet pipeline of recipro鄄cating compressorsJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science),2023,50(3):76-82.关于往复式压缩机入口管管卡合理布置的研究王高杰1摇 李慧芳1*摇 卢敬田2摇 王传志3摇 钱才富1(1.北京化工大学 机电工程学院,北京摇 100029;2.中国石化燕山分公司合成树脂厂,北京摇 102500;3.北京燕华工程建设有限公司,北京摇 102502)摘摇 要:针对压缩机入口管道振动问题,通过对管道进行模态分析和谐响应分析,研究管道管卡的支撑位置和数量对管道振动的影响,提出管卡数量和位置的设置应以最大程度提高管道固有频率和降低振动位移为原则。随后以某压缩机入口管为研究对象,按上述原则逐个确定了 3 个管卡的位置,结果表明管道在两横向上的振动位移比原三管卡管道的振动位移分别降低了 88郾 12%和 54郾 8%,减振效果明显。关键词:往复式压缩机;谐响应分析;管道振动中图分类号:TH45摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.2023.03.009收稿日期:2021-05-26第一作者:男,1995 年生,硕士生*通信联系人E鄄mail:lihf 引摇 言对于压缩机进出口管道而言,常常会由于压缩机动平衡不达标或者管道内气流脉动过大引起管道的振动。强烈的管道振动会导致管道及其附件产生疲劳失效,轻则致使管内气体泄漏,重则将会造成火灾、中毒及爆炸等严重事故。李永东等1针对某天然气站的两台增压机及其管路内气柱进行固有频率和压力不均匀度的计算,发现有些管段固有频率较低,压力脉动超过API618 石油、化学和气体工业设施用往复压缩机的规定,他们通过设置孔板和管卡使管道很好地避开共振区,有效降低了管道的振幅。孔祥强等2采用 ANSYS 软件计算了制冷压缩机配管的气柱固有频率和结构固有频率,并研究了回气管长度和排气管长度对压缩机及其管系振动的影响。刘英男等3利用 BENTELY PLUS 和 CAESAR域软件对撬装往复压缩机的振动进行分析,使其气柱固有频率和结构固有频率避开了压缩机的激发频率。Liang等4针对某升压站管路振动问题,利用有限元方法对原压缩机管路进行机械结构的模态分析和管道内部气体的模态分析,并对管道进行谐响应分析,得到管路振动的参数并提出合理的改进措施。苏永升等5开发了一种气流脉动削减装置,该装置为三维空腔结构,气体切向进入,从顶部流出;实验结果表明气体通过该脉动削减空腔后,压力脉动削减效果显著。管生洲等6对柴油加氢装置新氢压缩机管路系统进行了气流脉动和管道振动响应的计算与分析,发现系统发生了低阶结构共振,并且一级进气管道弯头较多,改进后的管道固有频率避开了共振区,振动位移大幅降低。涂俊7和郝春哲8利用 BEN鄄TELY PLUS 和 CAESAR域软件对压缩机出口管道振动问题进行了管道内气体脉动和管道的振动分析,通过增加缓冲罐改变管内气柱共振频率以避开激振的共振频率范围,添加管路管卡增加管路刚度使激振力避开共振区,最终使得管道振动幅值大幅减小,提高了管道的疲劳寿命。管道的管卡数量和位置的改变对管道的结构模态和刚度影响很大,然而前人多是通过计算管道固有频率来确定管卡的设置位置,进而研究减振效果,并未考虑管卡设置对管道振动位移响应的影响。本文对某往复式压缩机入口管道进行模态分析和谐响应分析,研究管卡的数量和位置改变对管道固有频率以及管道位移响应的影响,并研究入口管管卡的合理设置问题,最终以最大程度提高管道的固有频率和降低振动位移为原则,确定了管卡的合理布置。1摇 原压缩机入口管道动力学分析1郾 1摇 几何模型和管道参数所研究压缩机入口由1 根 Z 型管道和2 个法兰组成。管道一端通过法兰与压缩机气缸相连,另一端通过法兰与缓冲罐相连接,其中管道与法兰为螺纹连接。管道中间有 3 个管卡来限制管子径向和环向的位移。将管道分成 5 段,分别称作直管段玉、直管段域、直管段芋、弯管段玉和弯管段域,3 个管卡分别为管卡 1、管卡 2 和管卡 3,如图 1 所示。图 1摇 管道分段示意图Fig.1摇 Schematic diagram of the pipeline segment摇图 2摇 管道几何模型Fig.2摇 Geometry model of the pipeline根据管道几何参数建立管道有限元几何模型如图 2 所示,管路基本参数见表 1,管道材料的部分性能见表 2。管道所连接单作用压缩机的转速为200 r/min。表 1摇 管路基本参数Table 1摇 Basic parameters of the pipeline参数数值(名称)操作压力/MPa75操作温度/益40介质乙烯材料40CrNiMoA参数数值(名称)管道内径/mm31郾 7管道外径/mm76郾 3激发频率/Hz3郾 33表 2摇 材料在设计温度下的性能Table 2摇 The performance of the material at thedesign temperature材料温度/益许用应力Sm/MPa杨氏模量Et/MPa泊松比 滋40CrNiMoA40302201 6150郾 2951郾 2摇 管道模态分析采用 Solid185 实体单元对管道进行网格划分,如图 3 所示。管道入口法兰端面与出口法兰端面设为固定约束,管卡 1 3 约束管道的径向和环向位移,不约束管道轴向自由度,如图 4 所示。求解得管道前 6 阶固有频率值(表 3),管道的前 2 阶模态振型如图 5、6 所示。图 3摇 管道有限元网格模型Fig.3摇 Finite element mesh model of the pipeline摇表 3摇 管道前 6 阶固有频率Table 3摇 First six鄄order natural frequencies of the pipeline阶次固有频率/Hz162郾 75274郾 263136郾 48阶次固有频率/Hz4191郾 905199郾 036299郾 9777第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王高杰等:关于往复式压缩机入口管管卡合理布置的研究A管道入口端面与出口端面的固定约束;B、C管卡1 3 的远端约束,只约束管道的径向和环向位移,不约束管道轴向自由度。图 4摇 管道约束示意图Fig.4摇 Illustration of pipeline constraints摇图 5摇 管道的一阶振型图Fig.5摇 The first鄄order mode shape of the pipeline摇图 6摇 管道的二阶振型图Fig.6摇 Second鄄order mode shape of the pipeline摇摇 摇 激振频率 f 由压缩机参数和单作用方式通过式(1)计算得到。f=mn60(1)式中,m 代表压缩机气缸单/双作用方式,单作用时m=1,双作用时 m=2;n 为压缩机曲轴转速,r/min。对于本文所研究压缩机有 m=1,n=200 r/min,得到激发主频率 f=3郾 33 Hz。管道的前两阶模态振型图显示,管道的一阶振型沿着 Z 方向摆动,二阶振型沿着 X 方向摆动,且管道前 6 阶固有频率远大于激发频率,故在原管道支撑下不会发生结构共振。1郾 3摇 谐响应分析在管道谐响应分析中仍采用 Solid185 实体单元对管道进行网格划分。根据压缩机参数和单作用气缸出口气流特性,通过 CFD 软件计算得到弯管在X、Y 方向上的激振力分量见表 4,激振力分量的详细计算过程可参考文献9。管道约束条件与 1郾 2节相同,激振力载荷的施加如图 7 所示。表 4摇 作用在弯管的激振力Table 4摇 Exciting forces acting on the elbow作用位置激振力/N激振力方向弯管段玉245郾 07Y弯管段玉642郾 32-X弯管段域987郾 70X弯管段域1 407郾 84-Ya在弯管段玉处施加如表 4 中 X、Y 方向上的激振力;b在弯管段域处施加如表 4 中 X、Y 方向上的激振力。图 7摇 激振力载荷施加示意图Fig.7摇 Illustration of the exciting force load application摇摇 摇 在 3郾 33 Hz 激振力作用下管道 X 方向的振幅峰峰值(X 方向位移响应最大值减去位移响应最小值)为 0郾 069 mm,Y 方向的振幅峰峰值(Y 方向87北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2023 年位移 响 应 最 大 值 减 去 位 移 响 应 最 小 值)为0郾 017 mm,未超过 API618 限定值(0郾 5 mm),管道符合振动要求。2摇 管卡数量及位置的合理设置一般管道支架的设置是基于管道的强度和刚度来决定支架的位置和数量。按照强度条件和刚度条件可以计算出管道的跨距,工程中一般取两种判据计算出来的管道跨距的最小值。对于存在压力脉动的活塞式压缩机管道,需要考虑管道振动问题。本节通过对管道进行模态和谐响应分析来研究管卡数量及位置变化对管道振动的影响。压缩机管道设计的管卡位置选择如图 8 所示,图中一共假设了 9 个管卡的可能安装位置,每段直管道上分别有 3 个。其中 1、2、3 位置和 7、8、9 位置分别把直管段玉和直管段芋平分成 3 段,3、4、6、7位置紧挨着弯管。图 8摇 管道管卡可能位置示意图Fig.8摇 Illustration of possible locations of pipe鄄clamps摇2郾 1摇 第一个管卡位置的确定2郾 1郾 1摇 对管道模态的影响在管道上设置第一个管卡约束,其设置的位置可选在位置 1 9。管道两端为固定约束,管卡只约束该位置上管道的径向和周向位移,管道沿管子轴向可自由移动。计算得到管卡在位置 1 9 时管道的前 6 阶固有频率和振型,前 6 阶固有频率如图 9所示,管卡在位置 5 时的一阶振型如图 10 所示。由图 9 可以看出随着管卡位置由位置 1 变到位置 9,管道的前 4 阶固有频率均有先增大后减小的趋势,其中前 3 阶固有频率均在位置 7 时最大。说明单从提高管道固有频率的角度出发,管卡 1应设在位置 7 处。此外还可看出,管卡设置在管道的中间段及弯头处时管道固有频率的提高较大。图 9摇 管卡 1 设置位置对管道固有频率的影响Fig.9摇 Influence of pipe鄄clamp 1 setting position on thenatural frequency of the pipeline摇图 10摇 设置一个管卡后管道的一阶振型Fig.10摇 The first鄄order mode shape of the pipeline aftersetting one pipe鄄clamp摇2郾 1郾 2摇 对管道振动位移的影响本文通过谐响应分析计算管道振动位移并考察管卡位置的影响。约束条件与模态计算时的相同,载荷施加与 1郾 3 节相同。在 3郾 33 Hz 激振频率下,管道在 X 方向与 Y 方向的最大振动位移如图 11所示。图 11摇 管卡 1 设置位置对管道 X 和 Y 方