劉宏宇，吳 明，石成江

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

石油化工泵房管道系統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)分析*

劉宏宇，吳 明，石成江

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

針對(duì)石油化工泵房管道系統(tǒng)的振動(dòng)情況，借助ANSYS軟件模擬計(jì)算得到管系的前10階固有頻率。再采用DASPV10智能數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析得出相應(yīng)的管道振動(dòng)時(shí)域波譜圖和頻譜圖。與ANSYS軟件計(jì)算的管系固有頻率相比較分析，找出振動(dòng)原因。

管道振動(dòng)；ANSYS；固有頻率

載液管道中的管道振動(dòng)是管道系統(tǒng)的常見現(xiàn)象。載流管道系統(tǒng)中，任何一個(gè)局部振動(dòng)都會(huì)引起整個(gè)管道系統(tǒng)的振動(dòng)。這些振動(dòng)有的來(lái)源于流體的誘發(fā)振動(dòng)，還有的來(lái)自裝置的某些激勵(lì)，當(dāng)流體或機(jī)械的激振頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率相接近時(shí)，會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象[1]。本文針對(duì)石油化工泵房管道系統(tǒng)的振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，利用DISP V10振動(dòng)分析系統(tǒng)得到運(yùn)行中管系的時(shí)域波譜圖和頻譜圖。與ANSYS軟件計(jì)算的管系固有頻率比較分析，找出振動(dòng)原因，并為下一步減振措施的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

1 管系簡(jiǎn)介

石油化工泵房管道系統(tǒng)示意圖如圖1[2]，實(shí)驗(yàn)管道采用45號(hào)鋼，規(guī)格為Ф50 mm 3.5 mm，密度為7 800 kg/m3，泵采用轉(zhuǎn)速為2 950 r/min、10個(gè)葉片的耐腐蝕離心泵，流量計(jì)規(guī)格為L(zhǎng)wgy-50，質(zhì)量為10 kg，閥門為Ф50球閥，質(zhì)量為25 kg。根據(jù)激發(fā)頻率的計(jì)算公式[3]：

式中：f—頻率，Hz；

N——泵的轉(zhuǎn)速，r/min；

Z——泵的葉片數(shù)；

i——諧波次數(shù)，工程分析中，由于基波共振會(huì)有最大振幅。通常取i=1。

所以：

圖1 石油化工泵房管道系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline system in petrochemical pumphouse

2 ANSYS模擬計(jì)算

（1）ANSYS模擬計(jì)算是基于流體壓力脈動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)的理論，故管道系統(tǒng)在脈動(dòng)壓力作用下，其系統(tǒng)振動(dòng)方程可描述為[4]：

式中：[M]——管系質(zhì)量陣；

[K]——管系剛度陣；

[C]——管系阻尼陣；

{u}——各節(jié)點(diǎn)位移向量；

{Q（t）}——荷載向量，是周期性的壓力脈動(dòng)函數(shù)。

（2）對(duì)泵房管道系統(tǒng)的管道振動(dòng)問(wèn)題采用有限元法進(jìn)行分析。有限元法是將連續(xù)無(wú)限的問(wèn)題用離散有限問(wèn)題逼近。用有限元方法分析管系的振動(dòng)特性，具體方法和步驟如下[5]：①建模；②單元?jiǎng)澐?；③材料特性選取與約束條件的建立；④構(gòu)成剛度和質(zhì)量矩陣；⑤求解振動(dòng)特性（固有頻率、振型）。

（3）有限元建模[6]。直管段用PIPE16單元，彎管段用PIPE18單元，支承用BEAM189梁?jiǎn)卧?/p>

（4）固有頻率的計(jì)算。通過(guò)ANSYS軟件模擬求解。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 管系固有頻率Table 1 Piping natural frequency

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

（1）通用型壓電式加速度傳感器 2只（INV9822型，靈敏度：8～10 mV/ms2，頻響：0.5～5 k Hz）；

（2）振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集儀1臺(tái)（INV3018A型，4通道）；

（3）DASP V10智能數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)軟件；

（4）筆記本電腦1臺(tái)。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將數(shù)據(jù)采集儀與筆記本電腦通過(guò)USB接口線連接，傳感器與信號(hào)數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)專用數(shù)據(jù)線連接。測(cè)點(diǎn)選擇1（泵出口處）、2（彎管I處）作為本次試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)，并將2只傳感器成900布置在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)上。此次試驗(yàn)的記錄測(cè)試時(shí)間為20 s，得到泵出口處和彎管處的時(shí)域波形圖和頻譜圖，如圖2-圖5。

圖2 泵出口處（測(cè)點(diǎn)1）X方向Fig.2 Pumpoutlet（measuring point1）X direction

圖3 泵出口處（測(cè)點(diǎn)1）Y方向Fig.3 Pumpoutlet（measuring point1）Y direction

圖4 彎管I處（測(cè)點(diǎn)2）X方向Fig.4 IbendDepartment（measurementpoint2）X direction

圖5 彎管I處（測(cè)點(diǎn)2）Y方向Fig.5 IbendDepartment（measurementpoint2）Y direction

4 結(jié)論

（1）根據(jù)對(duì)管系實(shí)測(cè)結(jié)果可知，產(chǎn)生振動(dòng)能量較高的頻率為1 550 Hz、3 610 Hz，大約是管系激發(fā)振動(dòng)頻率500 Hz的倍數(shù)，故振動(dòng)達(dá)到峰值。由于管道系統(tǒng)激發(fā)的復(fù)雜性，致使實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率約為激發(fā)頻率的倍數(shù)。

（2）管系固有頻率計(jì)算結(jié)果表明，其前10階固有頻率遠(yuǎn)離振動(dòng)激發(fā)的頻率，故無(wú)共振現(xiàn)象產(chǎn)生。即使振動(dòng)激發(fā)引起的高階共振，其振動(dòng)能量也不大。因此，產(chǎn)生的振動(dòng)主要是激發(fā)引起的受迫振動(dòng)。

（3）實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在彎管I處振動(dòng)頻率較大，其原因是管路系統(tǒng)中的流固耦合對(duì)管系彎管處的沖擊振動(dòng)產(chǎn)生的。因此，在生產(chǎn)實(shí)際中盡量使管系的彎管角度小，以防止彎管處的局部沖擊振動(dòng)過(guò)大而使整個(gè)管系振動(dòng)加大。

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Vibration Analysis for Pipeline System of Petrochemical Pump House

LIU Hong-yu，WU Ming，SHICheng-jiang
（College of Oil&Gas Engineering，Liaoning ShihuaUniversity，Liaoning Fushun113001，China）

According to the vibration situation of pipeline system in petrochemical pump house，simulation calculation forfirsttenorders natural frequencies of pipe was carriedoutby ANSYS software.The vibration acceleration signals of measuring points were testedby DASPv10 intelligentdataacquisitionandsignal processing system.Throughcomputer analysis，time domain wave spectrum and spectrogram of the corresponding pipe vibration were obtained.Compared withpipe inherentfrequency calculatedby the ANSYS software，the vibrationcauses were foundout.

Pipeline vibration；ANSYS；Natural frequency

TQ052.1

A

1671-0460（2010）04-0391-03

遼寧省科技項(xiàng)目（2007220051）

2010-05-26

劉宏宇（1984-），男，遼寧大連人，碩士研究生，油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，主要研究方向：管道振動(dòng)。E-mail：hongyu_007@126.com。