房樹鋒，姜來舉

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300450）

石油化工企業(yè)普遍使用管道輸送流體，管道用法蘭、閥門等管件相連接成一個獨(dú)立的系統(tǒng)。當(dāng)這些管道系統(tǒng)受到外界的振動激勵時，會產(chǎn)生振動。這些振動對安全生產(chǎn)將造成很大威脅。振動使螺栓連接松動，導(dǎo)致管道上的閥門、壓力表等被破壞，強(qiáng)烈的振動會使管道及與之相連的構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷，積累到一定程度會形成疲勞裂紋，造成管道泄漏、斷裂等破壞，引發(fā)安全事故。因此對管系進(jìn)行動力學(xué)分析是十分必要的。

外界的振動激勵，可以分為機(jī)械設(shè)備振動和流體脈動。機(jī)械振動指動力機(jī)械引起的振動，如機(jī)械的轉(zhuǎn)子不平衡、軸系連接不對中等。流體的壓力、速度脈動，也會引起管道振動。在流體流經(jīng)彎管、異徑管、盲板和法蘭等處產(chǎn)生激振力導(dǎo)致管道振動。當(dāng)機(jī)械或流體的激振頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率相接近時，會引發(fā)共振。本文以海洋石油秦皇島33-1平臺的注水管系一段分支管焊縫開裂為例，詳細(xì)分析該管系振動的原因，從而采取相應(yīng)的減振措施。

1 原因分析與建模

秦皇島33-1油田項目位于渤海中西部海域。油田注水管系注入水為水源井水，即同一口井既做取水井又做注水井，在不同的層系實現(xiàn)取水與注水。注水量最大為1298m3/d，配備兩臺離心式注水泵，每臺流量30m3/h，排出壓力10MPa。每臺泵的電動機(jī)軸功率170kW，泵葉輪為17級。葉輪的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

秦皇島33-1項目投產(chǎn)后，注水管系中多級離心式注水泵相連的放空管線的一段管段（A8通多路閥管線）的分支管根部插焊口處出現(xiàn)裂紋?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該注水泵的振動很大，該段管線的支管呈強(qiáng)烈的左右擺動。高強(qiáng)度的往復(fù)振動使得焊接在該管段上的分支管在插焊口處出現(xiàn)疲勞裂紋，見圖2。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)圖

圖2 分支管根部焊縫開裂

管線振動通常采取架設(shè)支架進(jìn)行固定的辦法。該放空管線的分支管處于懸空狀態(tài)，現(xiàn)場操作者嘗試過，無法通過架設(shè)支架進(jìn)行固定。

圖3 開裂管段的結(jié)構(gòu)圖

該段管道結(jié)構(gòu)由兩片法蘭、一段直管、一個管座、一段支管、一個閥門和一片支管法蘭盲板構(gòu)成，見圖3，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有限元分析是解決該問題最有效可行的方法。構(gòu)成該單管的主要管件的參數(shù)如表1。

表1 管件明細(xì)表

由于整個管系比較復(fù)雜，在結(jié)果數(shù)據(jù)精度足夠的情況下，對其進(jìn)行簡化分析。本文中，主管（3"SCH160）與法蘭（3"900LB）構(gòu)成的單管由于由螺栓墊片固定在注水泵管系上，隨管系振動而振動，振幅較小，而且與管系同步，不存在振動劇烈振幅過大而導(dǎo)致螺栓墊片連接處漏水的情況，所以本文不分析該管系主干管的共振問題。由于分支管（3/4"XXS）振動振幅很大，導(dǎo)致分支管根部開裂，因此分支管的固有頻率很可能在管道系統(tǒng)受到振動的頻率范圍內(nèi)。因此，本文對分支管進(jìn)行模態(tài)分析，利用ANSYS軟件建模求解。

2 計算模型的建立

在不影響管道結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的前提下，建立模型時根據(jù)具體結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行了簡化。由于支管的兩端分別通過焊接連接主管和閥門，而焊接材料較少，相對支管本體而言，不會對其固有頻率產(chǎn)生較大影響，因此在對支管進(jìn)行模態(tài)分析時，將在支管與主管焊接連接部位，簡化為固支全自由度約束。分支管末端的閥門和端法蘭等結(jié)構(gòu)，簡化為支管端部的質(zhì)點(diǎn)。如圖4所示。

圖4 分支管簡化建模

3 有限元分析求解

該單管的材質(zhì)為ASTM A106 Gr.B。管段通常較低的若干階固有頻率和振型對結(jié)構(gòu)的影響較大，系統(tǒng)的能量主要集中在前幾階較低的頻率。故在研究系統(tǒng)的響應(yīng)時，只需了解少數(shù)的固有頻率和振型。在這里僅提取前6階頻率響應(yīng)，見表2。

表2 前6階模態(tài)頻率 （Hz）

注水泵管系泵內(nèi)壓力脈動的成分可以分為三種，一種是頻率接近白噪聲的隨機(jī)脈動，這種脈動可以認(rèn)為是隨機(jī)因素引起的；另一種是頻譜為葉頻倍頻的規(guī)律性脈動；還有一種是頻譜為軸頻倍頻的規(guī)律性脈動，稱為軸頻倍頻脈動。

該注水泵為多級離心泵，首級葉輪10個葉片，次級葉輪7個葉片，工作轉(zhuǎn)速2900轉(zhuǎn)/分。因此，軸頻為48.33Hz，葉頻分別為483.3Hz和338.3Hz。對于多級離心泵的流場壓力脈動，Wang H等試驗驗證了主要頻率的壓力脈動出現(xiàn)在非設(shè)計點(diǎn)及葉頻倍頻處[1]。率志君在其《多級離心泵整機(jī)流場三維非穩(wěn)態(tài)湍流壓力脈動特性分析》一文中，模擬顯示流道內(nèi)首級葉輪葉頻（483.3Hz）脈動在次級葉輪處衰減掉[2]。振動發(fā)生后，由于已經(jīng)使用激光對中器對電機(jī)和離心泵進(jìn)行了精確對中，因此軸頻（48.33Hz）倍頻和次級葉輪葉頻2倍頻（676.6Hz）處壓力脈動較小。支管1階模態(tài)頻率345.46Hz在次級葉輪1倍葉頻壓力脈動頻率338.3Hz附近，考慮到該支管兩端有焊接材料，其模態(tài)頻率會稍有降低，因此可以判斷，是支管的固有頻率過低，接近離心泵葉頻壓力脈動頻率而導(dǎo)致的共振，支管振動劇烈，振幅過大，支管根部焊縫疲勞破壞，見圖5。

圖5 第1階模態(tài)振型

4 采取的減振措施

注水管系支管疲勞破壞后，首先對注水泵和電動機(jī)進(jìn)行了精確調(diào)平和調(diào)軸對中，以便消除軸頻倍頻的過大振動。但未能消除支管劇烈擺動的現(xiàn)象，說明軸頻倍頻的振動不是分支管振動破壞的原因。之后在注水泵出口管段加固定支架，支撐限位以降低振動振幅，同樣未能明顯改善分支管振動劇烈的現(xiàn)象，泵出口管段固支反而使出口端法蘭受力過大易導(dǎo)致法蘭焊道疲勞破壞。

由于該單管的支管固有頻率落在離心式注水泵的葉頻共振范圍內(nèi)，所以將該支管切割掉50mm，提高其固有頻率，遠(yuǎn)離泵的葉頻共振范圍。表3是該支管被切割短后前6階模態(tài)頻率。顯然，切除50mm后，該支管第1階模態(tài)頻率為546.11Hz，離葉輪葉頻338.3Hz較遠(yuǎn)，不會發(fā)生共振做大振幅擺動。而且切短支管，擺動時其力矩較小，大大改善了支管根部受力狀況。

表3 支管切短后前6階模態(tài)頻率（Hz）

支管端部封堵的盲法蘭可采用玻璃鋼材料法蘭代替。玻璃鋼具有與鋼材相同的強(qiáng)度，在某些場合可以替代鋼材，但其質(zhì)量遠(yuǎn)小于鋼材。替代后既滿足設(shè)計要求，又大大減輕了分支管端部的質(zhì)量，減小了末端擺動的力矩，可防止支管根部發(fā)生疲勞破壞。

5 結(jié)論

本文對海上采油平臺投產(chǎn)時遇到的問題進(jìn)行了分析，提出了解決問題的措施。由于現(xiàn)場缺少測量頻率的力錘等儀器工具，僅進(jìn)行了計算機(jī)建模和對模型進(jìn)行模態(tài)分析，對精確度有一定的影響。分析結(jié)論如下：

（1）設(shè)備投入使用前，必須嚴(yán)格調(diào)平，必要時使用激光對中儀調(diào)軸對中，減少設(shè)備的振動。

（2）與設(shè)備相連接管系，必要時要進(jìn)行相應(yīng)振動分析，以防止設(shè)備振動或流體脈動激勵造成的疲勞破壞。

◆參考文獻(xiàn)

[1] Wang H, Tsukamoto H. Experimental and Numerical Study of Unsteady Flow in a Diffuser Pump at off-Design Conditions[J].ASME J.Fluids Eng.2003,125:767-778.

[2] 率志君，張權(quán)，陳春來，等. 多級離心泵整機(jī)流場三維非穩(wěn)態(tài)湍流壓力脈動特性分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2013，34(3)：306-311.