憨思宇，韓麗艷， 趙 杰

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617)

石油石化行業(yè)中輸送氣體的在役壓縮機(jī)及其與之相連的管路系統(tǒng)常常出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題[1-2]，因此對(duì)壓縮機(jī)尤其是管路系統(tǒng)振動(dòng)進(jìn)行分析與控制十分必要。而在管道線(xiàn)路振動(dòng)改造方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，改變管夾的約束形式、位置、數(shù)量等來(lái)調(diào)整管線(xiàn)的剛度最為可行。而當(dāng)管夾的數(shù)量和位置通過(guò)管道線(xiàn)系統(tǒng)振動(dòng)的分析后，管夾的約束設(shè)計(jì)顯得十分重要。因此，筆者通過(guò)調(diào)整碟形彈簧墊圈的數(shù)量和安裝方式設(shè)計(jì)了不同剛度的彈性連接的通用管夾，從而為管線(xiàn)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(zhǔn)確描述增加管夾的原理和解決辦法，針對(duì)某石化企業(yè)干氣提濃CO2壓縮機(jī)進(jìn)行分析，其管線(xiàn)基本參數(shù)如表1所示，壓縮機(jī)基本參數(shù)如表2所示。該機(jī)組的實(shí)物如圖1所示，利用Ansys軟件得到機(jī)組及管線(xiàn)系統(tǒng)的模型如圖2所示。

表1 管線(xiàn)參數(shù)

表2 壓縮機(jī)基本參數(shù)

圖1 機(jī)組實(shí)物

圖2 機(jī)組模型

2 減振約束位置

自機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)以來(lái)，振動(dòng)最大位移達(dá)到了2 300 μm以上，最大振動(dòng)烈度達(dá)到了50 mm/s以上，劇烈的振動(dòng)導(dǎo)致該機(jī)組不得不降低工況運(yùn)行。參照管線(xiàn)系統(tǒng)振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(如表3所示)，將振動(dòng)位移雙振幅降低至設(shè)計(jì)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(mén)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(diǎn)，采用零階方法中的隨機(jī)法和子問(wèn)題法確定最優(yōu)值的大體位置， 然后用一階方法進(jìn)行精確求解。經(jīng)過(guò)分析得到系統(tǒng)中管線(xiàn)增加約束位置如圖3所示，各個(gè)約束基本位于緩沖罐附近，考慮到管線(xiàn)的熱膨脹，管線(xiàn)走向方向上不增加約束，增加約束一般為限制另外2個(gè)方向。

表3 管線(xiàn)系統(tǒng)振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖3 增加管線(xiàn)約束具體位置

3 管線(xiàn)約束設(shè)計(jì)

3.1 管線(xiàn)約束剛度計(jì)算

為方便計(jì)算和設(shè)計(jì)約束，首先利用式(1)計(jì)算各個(gè)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(dòng)，取0.3；p0為表壓。

3.2 管線(xiàn)約束形式確定

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

(2)

式中：P為單個(gè)彈簧的載荷，N；Pc為壓平時(shí)的蝶形彈簧載荷計(jì)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(shí)變形量的計(jì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)碟形彈簧的片數(shù)、安裝形式和擰緊程度來(lái)實(shí)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(shè)計(jì)得到的管夾分別安裝在管段上，利用軟件對(duì)施加約束后的壓縮機(jī)及管系做進(jìn)一步振動(dòng)特性分析。控制后壓縮機(jī)及管系的前30階固有頻率如表6所示。從表6可以看出，實(shí)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(kāi)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(dòng)。

表6 實(shí)施控制方案后壓縮機(jī)及管系的前30階固有頻率

通過(guò)計(jì)算比對(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)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(shí)又出現(xiàn)小幅上升，說(shuō)明該階次下振動(dòng)能量在增強(qiáng)，但位移仍然在控制標(biāo)準(zhǔn)值以下，對(duì)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(chǎng)實(shí)測(cè)，其改造后的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖6中可以看出，實(shí)施控制方案后模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的振動(dòng)位移都滿(mǎn)足了振動(dòng)規(guī)范要求，說(shuō)明上述方案控制效果較好。

圖6 管線(xiàn)系統(tǒng)改造后的測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

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(jī)及其與之相連的管路系統(tǒng)由于常常出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整碟形彈簧墊圈的數(shù)量和安裝方式實(shí)現(xiàn)不同剛度的彈性連接的通用管夾控制振動(dòng)位移值，從而達(dá)到減振目的，這可為管線(xiàn)系統(tǒng)的減振研究人員提供方便和新的思路。經(jīng)實(shí)踐說(shuō)明振動(dòng)控制方案具有可行性，控制效果良好，可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。