高德潔 王鑫 齊保坤

（1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司天津分公司，天津300457；2.天津市大和勞務(wù)服務(wù)有限責(zé)任公司，天津300457；3.海洋石油工程股份有限公司，天津300457）

0 引言

通常油氣管道項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段，僅對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)行振動(dòng)分析，但一些在役離心泵進(jìn)出口管道也會(huì)發(fā)生振動(dòng)。本文建立不同CAESAR II 模型，通過(guò)對(duì)不同模型進(jìn)行模態(tài)分析，并結(jié)合某油庫(kù)項(xiàng)目對(duì)管道安裝進(jìn)行優(yōu)化的實(shí)例，找出影響管道頻率的關(guān)鍵因素。

1 概述

排除離心泵自身問(wèn)題，及安裝施工問(wèn)題，本文僅考慮固有頻率對(duì)油氣管道振動(dòng)的影響。由于油氣介質(zhì)固有頻率一般在0-1Hz之間，且振幅很大，如管道與油氣介質(zhì)產(chǎn)生共振，破壞力很大，為防止機(jī)械共振，要控制管道固有頻率避開(kāi)0-1Hz，應(yīng)盡量控制到不低于3Hz。分析不同因素對(duì)管道固有頻率的影響，以便有針對(duì)性調(diào)整管道固有頻率，減小管道振動(dòng)。

2 分析不同因素對(duì)管道固有頻率的影響

建立不同跨距，不同彎頭數(shù)，不同支撐形式的Caesar II 模型，分析管道固有頻率的影響因素。

2.1 不同跨距對(duì)頻率的影響

分別建立跨距為24m，12m，6m的管道模型，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)模態(tài)分析，可以得出跨距為24m,12m,6m 的管道第一階頻率分別為1.469Hz，1.614Hz，1.672Hz；第二階頻率分別為1.487Hz，1.676Hz，1.777Hz；第 三 階 頻 率 分 別 為2.382Hz，2.620Hz，3.176Hz；第 四 階 頻 率 分 別 為2.480Hz，2.981Hz，3.661Hz。

由此得出跨距越小，管道的固有頻率越大。適當(dāng)減小跨距，可以提高管道的固有頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 不同彎頭個(gè)數(shù)對(duì)頻率的影響

分別建立彎頭個(gè)數(shù)為2個(gè)，4個(gè)，6個(gè)的管道模型，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。

通過(guò)模態(tài)分析，可以得出彎頭個(gè)數(shù)為2個(gè)，4個(gè)，6個(gè)的管道第一階頻率分別為2.258Hz，2.541Hz，2.600Hz；第二階頻率分別為3.115Hz，3.388Hz，3.309Hz；第 三 階 頻 率 分 別 為4.104Hz，5.144Hz，4.538Hz；第 四 階 頻 率 分 別 為9.148Hz，5.782Hz，6.067Hz。

由此，可以得出彎頭個(gè)數(shù)越多，管道頻率越低?？梢赃m當(dāng)減小彎頭個(gè)數(shù)，來(lái)提高管道的固有頻率。

2.3 不同支撐形式對(duì)頻率的影響

分別建立支撐全為滑動(dòng)，全為導(dǎo)向，全為管卡的管道模型，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。

通過(guò)模態(tài)分析，可以得出支撐全為滑動(dòng)，全為導(dǎo)向，全為管卡的管道第一階頻率分別為2.258Hz，23.227Hz，30.465Hz；第二階頻率分別為3.115Hz，31.402Hz，38.074Hz；第三階頻率分別為4.104Hz，38.311Hz，41.896Hz；第 四 階 頻 率 分 別 為9.148Hz，50.425Hz，61.521Hz。

由此，全管卡約束管道時(shí)，固有頻率最大；全導(dǎo)向約束時(shí)，固有頻率次之；全滑動(dòng)約束時(shí)，固有頻率最小。

綜上，可以得出支撐形式對(duì)管道固有頻率影響最大，當(dāng)管道固有頻率需大幅度增大時(shí)，改變管道支撐形式，最為簡(jiǎn)單有效。

3 應(yīng)用實(shí)例

某油庫(kù)泵區(qū)三臺(tái)正在運(yùn)行的泵進(jìn)出口匯管上平臺(tái)后，平臺(tái)上管道振動(dòng)比較嚴(yán)重，對(duì)其管道進(jìn)行模態(tài)分析，以便通過(guò)較小改動(dòng)，來(lái)減小管道的振動(dòng)。具體管道參數(shù)如表1所示。

表1 管道參數(shù)表

圖1 泵進(jìn)出口管道CAESAR II模型

參見(jiàn)圖1，通過(guò)模態(tài)分析可以得出，第一階頻率為0.177Hz，第二階頻率為0.250Hz,第三階頻率為0.644Hz，第四階頻率為0.898Hz。前四階頻率很低，均小于1HZ。

第一、二階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型與現(xiàn)場(chǎng)觀察到的管道振動(dòng)特征相吻合，振幅較大的位置出現(xiàn)在管網(wǎng)及平臺(tái)上。進(jìn)而對(duì)管網(wǎng)和平臺(tái)上的管道進(jìn)行加固，將滑動(dòng)管托更換為導(dǎo)向管托再次進(jìn)行模態(tài)分析。

加固后，第一階頻率為3.557Hz,第二階頻率為4.058Hz,第三階頻率為4.961Hz,第四階頻率為5.491Hz。圖2 是加固前后管道前4階頻率等對(duì)比圖。

圖2 加固前后管道前4階頻率對(duì)比圖

對(duì)比未加固之前的泵進(jìn)出口管道，其前4 階頻率有了明顯的增加，管道的一階頻率已由加固前的0.177Hz 增加到加固后的3.557Hz，增長(zhǎng)幅度為20 倍；且前四階頻率均大于3Hz，按照理論是可以有效避免機(jī)械共振的產(chǎn)生的振動(dòng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反饋，按照此辦法調(diào)整支撐，確實(shí)振動(dòng)情況減輕。

表2 調(diào)整模型前后的一次、二次應(yīng)力對(duì)比表

從表2可以看出，頻率增大的同時(shí)，二次應(yīng)力比例從18.7%升高至69.9%，可以滿足ASME B31.3要求，但大幅度提高，需引起注意，且不經(jīng)過(guò)模態(tài)分析，不可以在現(xiàn)場(chǎng)隨意增加限位支撐。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)管道進(jìn)行模態(tài)分析，得出改變支撐形式的方式，可以提高管道的固有頻率，以減小管道的振動(dòng)，但與此同時(shí)，導(dǎo)致管道柔性變差，管道二次應(yīng)力增加，不經(jīng)過(guò)模態(tài)分析不可以現(xiàn)場(chǎng)隨意改變支撐形式，容易造成二次應(yīng)力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，引起管道的破壞。