憨思宇，韓麗艷， 趙 杰

(北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617)

石油石化行業(yè)中輸送氣體的在役壓縮機及其與之相連的管路系統(tǒng)常常出現(xiàn)振動問題[1-2]，因此對壓縮機尤其是管路系統(tǒng)振動進行分析與控制十分必要。而在管道線路振動改造方案設計過程中，改變管夾的約束形式、位置、數(shù)量等來調(diào)整管線的剛度最為可行。而當管夾的數(shù)量和位置通過管道線系統(tǒng)振動的分析后，管夾的約束設計顯得十分重要。因此，筆者通過調(diào)整碟形彈簧墊圈的數(shù)量和安裝方式設計了不同剛度的彈性連接的通用管夾，從而為管線系統(tǒng)的減振研究提供一種新思路。

1 工程系統(tǒng)參數(shù)及建模

為準確描述增加管夾的原理和解決辦法，針對某石化企業(yè)干氣提濃CO2壓縮機進行分析，其管線基本參數(shù)如表1所示，壓縮機基本參數(shù)如表2所示。該機組的實物如圖1所示，利用Ansys軟件得到機組及管線系統(tǒng)的模型如圖2所示。

表1 管線參數(shù)

表2 壓縮機基本參數(shù)

圖1 機組實物

圖2 機組模型

2 減振約束位置

自機組出現(xiàn)振動以來，振動最大位移達到了2 300 μm以上，最大振動烈度達到了50 mm/s以上，劇烈的振動導致該機組不得不降低工況運行。參照管線系統(tǒng)振動評價標準(如表3所示)，將振動位移雙振幅降低至設計界限以下[3]，即250 μm以下。 選擇ANSYS管單元建立有限元模型，直管采用Pipe16單元，三通管采用Pipe17單元，彎管處采用Pipe18單元，法蘭和閥門作為等質(zhì)量的剛性單元處理。異徑管用兩段直徑漸變的直管，算法上綜合零階方法和一階方法的優(yōu)點，采用零階方法中的隨機法和子問題法確定最優(yōu)值的大體位置， 然后用一階方法進行精確求解。經(jīng)過分析得到系統(tǒng)中管線增加約束位置如圖3所示，各個約束基本位于緩沖罐附近，考慮到管線的熱膨脹，管線走向方向上不增加約束，增加約束一般為限制另外2個方向。

表3 管線系統(tǒng)振動評價標準

圖3 增加管線約束具體位置

3 管線約束設計

3.1 管線約束剛度計算

為方便計算和設計約束，首先利用式(1)計算各個約束位置處的激振力，然后得到其約束剛度值如表4所示。

表4 增加約束的剛度值

(1)

式中：d為管內(nèi)徑；δ為壓力脈動，取0.3；p0為表壓。

3.2 管線約束形式確定

利用計算得到的各個約束位置的剛度值，根據(jù)蝶形彈簧的載荷計算式[4-5]:

(2)

式中：P為單個彈簧的載荷，N；Pc為壓平時的蝶形彈簧載荷計算值，N；t為彈簧厚度，mm；D為蝶形彈簧外徑，mm；f為單片蝶形彈簧的變形量，mm；h0為蝶形彈簧壓平時變形量的計算值，mm；E為彈性模量，MPa；μ為泊松比；K1=0.69；K4=1。

表5 碟簧連接形式

圖4 碟形彈簧組合型式

3.3 管夾型式的確定

管道減振的管夾裝置主要由上管箍、下管箍、管箍連接結(jié)構(gòu)、夾塊、豎直方向剛度控制結(jié)構(gòu)、水平方向剛度控制結(jié)構(gòu)、支座和石棉墊組成。上管箍與下管箍中間安裝石棉墊后通過管箍連接結(jié)構(gòu)緊固在管道上；下管箍支座與支架之間留有間隙，并通過豎直方向剛度控制結(jié)構(gòu)連接；下管箍支座與夾塊之間通過水平方向剛度控制結(jié)構(gòu)連接；豎直方向與水平方向剛度控制結(jié)構(gòu)均通過碟形彈簧的片數(shù)、安裝形式和擰緊程度來實現(xiàn)剛度控制[6-9]。具體型式如圖5所示。

圖5 彈性支撐管夾

4 控制效果

將設計得到的管夾分別安裝在管段上，利用軟件對施加約束后的壓縮機及管系做進一步振動特性分析?？刂坪髩嚎s機及管系的前30階固有頻率如表6所示。從表6可以看出，實施控制方案后系統(tǒng)固有頻率與原系統(tǒng)相比整體有所提高，第1階為15.595 Hz，第30階為55.227 Hz，不但結(jié)構(gòu)剛度有了很大的提高，而且整體固有頻率的跨度也有所提升，可以有效避開了10、20 Hz激振倍頻附近的共振頻率，從而避免發(fā)生低階結(jié)構(gòu)振動。

表6 實施控制方案后壓縮機及管系的前30階固有頻率

通過計算比對發(fā)現(xiàn)，實施上述控制約束后起主要作用的低階頻率有所增大，但位移均明顯下降。雖然在40 Hz時又出現(xiàn)小幅上升，說明該階次下振動能量在增強，但位移仍然在控制標準值以下，對于高階頻率被激發(fā)的可能性較小，基本不做考慮。經(jīng)現(xiàn)場實測，其改造后的測試數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6中可以看出，實施控制方案后模擬計算和現(xiàn)場實測的振動位移都滿足了振動規(guī)范要求，說明上述方案控制效果較好。

圖6 管線系統(tǒng)改造后的測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

石油石化行業(yè)中提高氣體壓力或輸送氣體的在役壓縮機及其與之相連的管路系統(tǒng)由于常常出現(xiàn)振動問題，通過調(diào)整碟形彈簧墊圈的數(shù)量和安裝方式實現(xiàn)不同剛度的彈性連接的通用管夾控制振動位移值，從而達到減振目的，這可為管線系統(tǒng)的減振研究人員提供方便和新的思路。經(jīng)實踐說明振動控制方案具有可行性，控制效果良好，可用于指導工程實踐。