CN111222277B - 输气站增压泵进出口管道的振动评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输气站增压泵进出口管道的振动评价方法，其主要是依次通过结构特性分析评价、流致振动分析评价和强制机械响应分析评价来判定进出口管道的振动是否合格。本发明能够对进出口管道的振动状况进行有效的分析评价，从而及时了解到进出口管道的振动状况，尤其是在不同程度的振动工况下，管道的长期疲劳运行的振动检测。便于对超出振动允许范围的管道及时采取防振或减振措施，避免因管道破裂引起爆炸，造成严重事故。
Description
技术领域
本发明属于特种设备技术领域，尤其涉及一种输气站增压泵进出口管道的振动评价方法。
背景技术
在石油行业，输气场站增压泵是使用最常见的大型设备之一，增压泵在未开启时，相应连接部件都是静止的，但增压泵一旦开启，管道系统就会随之振动。在不同工况下，多数管道的振动将会加剧，振动的程度与管道中的压力、管道的配备和设计密切相关。尤其是输气场站增压泵进出口管道，源于内部流体和外部机械激励诱发的振动，在不同程度的振动工况下，长期疲劳运行，严重影响管道的支座、焊缝及螺栓等连接部件的可靠性，轻则引起泄漏，重则由破裂引起爆炸，造成严重事故。
目前，振动测试技术已能够获取较为准确的振动信息，具有较为成熟的信号处理方法。当前振动测试主要涉及检查机械设备运转的振动特性，检验其工作质量，能够测定机械系统动态响应特性，测定设备的冲击能力与承受振动的能力，分析产生振动的原因，寻找振源。但是针对输气场站增压泵进出口管道的振动测试技术研究较少，与机械旋转设备相比，管道振动的测试方法截然不同，除了每一条管道在工况、内部介质及机构上的差异外，在数据处理和测点的选取也不相同。因此，亟需解决输气场站增压泵进出口管道的振动测试技术。
振动评价技术目前主要应用在非旋转部件的机械振动、设备的故障诊断及状态监测，部分设备的振动评价已形成了标准，并且能够根据标准判定设备的运转状态。而国内管道振动测试与评估研究较多的主要涉及核电站管道系统的振动测试与评价技术，尚无输气场站增压泵进出口管道振动评价技术。
因此，在输气场站中工艺系统管道的完整性显得尤为重要，为了避免此类事件的发生，需及时了解增压泵进出口管道的振动情况，方便提前做好管道减振措施。而振动是评价管道安全运行的一个重要指标，以便对超出振动允许范围内的危险管道及时采取防振措施。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种输气站增压泵进出口管道的振动评价方法。本发明通过对输气站增压泵进出口管道的振动状况的分析评价，能够及时了解到进出口管道的振动状况并采取相应措施，从而达到安全生产的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种输气站增压泵进出口管道的振动评价方法，包括以下步骤：
(1)结构特性分析评价
通过有限元分析，采用离散型多自由度系统模型，通过建立进出口管道几何模型、网格划分、材料力学参数设置和施加边界条件，计算出进出口管道本体的固有频率；将固有频率与根据实测振动测试信号计算得出的频率谱进行比较，若固有频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围内，则判定进出口管道的振动不合格，结束评价；若固有频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围外，则转入步骤(2)；
(2)流致振动分析评价
通过有限元分析，采用流固耦合方法计算，通过建立进出口管道几何模型、CFD网格划分、介质参数设置和流体加载，计算出进出口管道的激励频率；将激励频率与根据实测振动测试信号计算得出的频率谱进行比较，若激励频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围内，则判定进出口管道的振动不合格，结束评价；若激励频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围外，则转入步骤(3)；
(3)强制机械响应分析评价
采用振动峰值速度评价方法进行分析评价，具体分析评价过程为：根据实测振动测试信号计算得出频率谱，将频率谱中的最大峰值振动速度值与进出口管道的允许峰值速度最大值进行比较，若频率谱中的最大峰值振动速度值小于允许峰值速度最大值，则判定进出口管道的振动合格；若频率谱中的最大峰值振动速度值大于允许峰值速度最大值，且小于允许峰值速度最大值的2倍值，则判定进出口管道的振动为应评估，需要长期跟踪进出口管道的振动状态；若频率谱中的最大峰值振动速度值大于允许峰值速度最大值，则判定进出口管道的振动不合格。
所述的根据实测振动测试信号计算得出频率谱是指采用振动传感器采集输气站增压泵进出口管道的振动测试信号，且针对采集的振动测试信号，选取时域数据，处理时间范围不小于60秒，每秒的平均次数不小于5次；转换的函数关系为频率谱，转换时使用汉宁窗函数加窗，转换后的数据单位为速度值，并且不加权。
所述步骤(1)中的设定范围是指固有频率与频率谱的相近值或倍频值在8Hz以内。
所述步骤(2)中的设定范围是指激励频率与频率谱的相近值或倍频值在4Hz以内。
所述步骤(3)中进出口管道的允许峰值速度最大值的计算方法为：
式中
表示进出口管道的允许峰值速度最大值；
13.4——转换系数，mm/s/MPa；
C1——补偿特征管段上集中质量影响的修正系数；
C4——端部条件修正系数；
Se1——交变应力；
C3——管道内介质和管道保温层的修正系数；
C5——考虑强迫振动偏离共振的修正系数，等于管跨第一阶固有频率与测得的频率之比；
C2——二次应力指数；
K2——局部应力指数；
α——许用应力减弱系数。
采用本发明的优点在于：
本发明分别采用结构特性分析评价、流致振动分析评价和强制机械响应分析评价对输气站增压泵进出口管道进行振动评价，其中，采用结构特性分析评价的优点是避免测试的频率与进出口管道本体的固有频率相近，发生共振现象。采用流致振动分析评价的优点是避免测试的频率与进出口管道流致振动产生的激励频率相近，发生气柱共振现象。采用强制机械响应分析评价的优点是将测试的振动控制在允许范围内，保障进出口管道在允许范围内使用。而强制机械响应分析评价中采用振动峰值速度评价方法能够更好的表征振动的特征，较好的评价管道是否在允许范围内。通过上述的结合，就能够对进出口管道的振动状况进行有效的分析评价，从而及时了解到进出口管道的振动状况，尤其是在不同程度的振动工况下，管道的长期疲劳运行的振动检测。便于对超出振动允许范围的管道及时采取防振或减振措施，避免因管道破裂引起爆炸，造成严重事故。
附图说明
图1为实施例1的流程示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例公开了一种输气站增压泵进出口管道的振动评价方法，包括以下步骤：
(1)结构特性分析评价
通过有限元分析，采用离散型多自由度系统模型，通过建立进出口管道几何模型、网格划分、材料力学参数设置和施加边界条件，计算出进出口管道本体的固有频率；将固有频率与根据实测振动测试信号计算得出的频率谱进行比较，若固有频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围内，则判定进出口管道的振动不合格，结束评价；若固有频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围外，则转入步骤(2)。其中，在将固有频率与根据实测振动测试信号计算得出的频率谱进行比较前需要先根据进出口管道的振动测试信号分析计算出频谱图。所述的设定范围是指固有频率与频率谱的相近值或倍频值在8Hz以内，即固有频率与频率谱的相近值或倍频值在8Hz以内，则判定管道的振动不合格。
本步骤中计算固有频率的方法如下：
S1：采用ANSYS SCDM对进出口输气管道建立几何模型，因模态分析是结构的本身特性，任何载荷(包括重力)都会被忽略，只有密度和约束起作用。
S2：对进出口输气管道划分四面体网格，采用基于曲率的网格加密方法，设置面网格的最大尺寸，得到输气出口管道的网格数量和网格节点。
S3：采用理想弹-塑性材料本构模型，弹性阶段采用弹性模量E和泊松比υ两个参数模拟，设置管道的材料。
S4：对进出口输气管道的两端和固定管道位置处施加“固定约束”边界条件。
S5：基于以上模型及边界条件设置，得到输气站增压泵进出口管道的模态有限元分析结果。
(2)流致振动分析评价
通过有限元分析，采用流固耦合方法计算，通过建立进出口管道几何模型、CFD网格划分、介质参数设置和流体加载，计算出进出口管道的激励频率；将激励频率与根据实测振动测试信号计算得出的频率谱进行比较，若激励频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围内，则判定进出口管道的振动不合格，结束评价；若激励频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围外，则转入步骤(3)。其中，所述的设定范围是指激励频率与频率谱的相近值或倍频值在4Hz以内，即激励频率与频率谱的相近值或倍频值在8Hz以内，则判定管道的振动不合格。其中，在将固有频率与根据实测振动测试信号计算得出的频率谱进行比较前需要先根据进出口管道的振动测试信号分析计算出频谱图，
本步骤中计算进出口管道的激励频率的方法如下：
S1：在CFD计算中，建立流固耦合计算所需要的几何模型，CFD分析和有限元分析的几何模型尺寸必须保持一致，网格拓扑结构不需要一致
S2：然后分别对CFD分析和有限元分析所需要的几何模型划分网格。
S3：在CFX中对流体区域进行CFD计算，得到时程上的计算结果，提取CFX计算结果中的载荷信息，通过一定的格式写入记事本文件，每个记事本文件包含一个载荷步下的所有信息。
S4：将CFX的计算结果导入到Mechanical(Transient)中计算结构的变形，从而得到最终的流致振动计算结果。
(3)强制机械响应分析评价
采用振动峰值速度评价方法进行分析评价，具体分析评价过程为：根据实测振动测试信号计算得出频率谱，将频率谱中的最大峰值振动速度值与进出口管道的允许峰值速度最大值进行比较，若频率谱中的最大峰值振动速度值小于允许峰值速度最大值，则判定进出口管道的振动合格；若频率谱中的最大峰值振动速度值大于允许峰值速度最大值，且小于允许峰值速度最大值的2倍值，则判定进出口管道的振动为应评估，需要长期跟踪进出口管道的振动状态；若频率谱中的最大峰值振动速度值大于允许峰值速度最大值，则判定进出口管道的振动不合格。
本步骤中，进出口管道的允许峰值速度最大值的计算方法为：
式中
表示进出口管道的允许峰值速度最大值；
13.4——转换系数，mm/s/MPa；
C1——补偿特征管段上集中质量影响的修正系数；
C4——端部条件修正系数；
Se1——交变应力；
C3——管道内介质和管道保温层的修正系数；
C5——考虑强迫振动偏离共振的修正系数，等于管跨第一阶固有频率与测得的频率之比；
C2——二次应力指数；
K2——局部应力指数；
α——许用应力减弱系数。
具体的，设定频率谱中的最大峰值振动速度值为
将频率谱中的最大峰值振动速度值
与进出口管道的允许峰值速度最大值
进行比较，若频率谱中的最大峰值振动速度值
小于允许峰值速度最大值
则判定进出口管道的振动合格；若频率谱中的最大峰值振动速度值
大于允许峰值速度最大值
且小于允许峰值速度最大值
则判定进出口管道的振动为应评估，需要长期跟踪进出口管道的振动状态；若频率谱中的最大峰值振动速度值
大于允许峰值速度最大值
则判定进出口管道的振动不合格。
本实施例中，所述的根据实测振动测试信号计算得出频率谱是指采用振动传感器采集输气站增压泵进出口管道的振动测试信号，且针对采集的振动测试信号，选取时域数据，处理时间范围不小于60秒，每秒的平均次数不小于5次；转换的函数关系为频率谱，转换时使用汉宁窗函数加窗，转换后的数据单位为速度值，并且不加权。
实施例2
本实施例实际选择某输气场站的一条增压泵出口管道进行评价，具体过程如下：
1、输气站出口管道结构特性分析
(1)几何模型建立
采用ANSYS SCDM对进出口输气管道建立几何模型，因模态分析是结构的本身特性，任何载荷(包括重力)都会被忽略，只有密度和约束起作用。因此，在几何建模过程中，不可忽略法兰连接的影响，有必要建立法兰的几何模型，而本发明是对管道进行模态分析，螺栓可以用梁单元来代替，故不对螺栓建立几何模型。
(2)网格划分
直接对进出口输气管道划分四面体网格，采用基于曲率的网格加密方法，设置面网格的最大尺寸为40mm，设置网格质量为最优，完成输气出口管道的网格划分。
(3)参数设置
采用理想弹-塑性材料本构模型，弹性阶段采用弹性模量E和泊松比υ两个参数模拟，设置管道的材料，对进出口输气管道的两端和固定管道位置处施加“固定约束”边界条件。
(4)模态分析计算结果
基于以上模型及边界条件设置，得到输气站增压泵进出口管道的模态有限元分析结果，得出出口管道的固有频率G。
2、输气站出口管道流致振动分析
(1)创建CFD计算域
输气场站增压泵进出口管道两边的油气输送管道进行分析，在原模态分析建立的几何模型基础上，抽取CFD计算域。
(2)CFD网格划分
针对输气管道抽取的CFD计算域进行网格划分，对出口边界条件命名，划分壁面边界层网格设定第一层边界层网格厚度为1mm；完成输气管线的CFD网格划分。
(3)参数设置
设定天然气的输出管线压力为P。入口边界为压力入口边界，出口边界为压力出口边界，壁面采用光滑、无滑移壁面边界；瞬态计算，总共计算时间为1s，计算时间步长为0.01s，对每一个计算步保存计算结果文件；分别对每个管道进行CFD仿真计算。
(4)流致振动仿真分析结果
基于Workbench平台，直接将CFX的计算结果(壁面压力)直接导入Mechanical中，对管道的两端添加六个自由度的固定约束，完成边界条件的设定。材料参数设定与模态分析的材料参数一致，通过CFX瞬态计算，给出1s时刻的管内压力分布云图。通过流致振动分析，得到各个管线的变形。
通过观察到所有管线的形变最大量均在弯头处，其中输气管线的最大变形量位于弯头的内侧，得出流致振动产生的激励频率为L。
3、输气出口管道振动测试分析评价
现场测试输气站增压泵出口管道振动数据。将测试的数据通过傅里叶变换，可以将任意一个时域信号分解为一系列不同相位、幅度、频率的正弦信号组合，从而得到信号的频谱。
通过频谱分析，得出频谱图，将得出的频谱值与出口管道的固有频率G和流致振动在当前工况下的频率L进行对比。若这两个频率段与频率谱的相近值或倍频值在设定范围内，则评估输出管道不合格。若两个频率段避开了频率谱的相近值或倍频值在设定范围内，则继续选择强制机械响应分析评价。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (3)
1.输气站增压泵进出口管道的振动评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)结构特性分析评价
通过有限元分析，采用离散型多自由度系统模型，通过建立进出口管道几何模型、网格划分、材料力学参数设置和施加边界条件，计算出进出口管道本体的固有频率；将固有频率与根据实测振动测试信号计算得出的频率谱进行比较，若固有频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围内，则判定进出口管道的振动不合格，结束评价；若固有频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围外，则转入步骤(2)；
(2)流致振动分析评价
通过有限元分析，采用流固耦合方法计算，通过建立进出口管道几何模型、CFD网格划分、介质参数设置和流体加载，计算出进出口管道的激励频率；将激励频率与根据实测振动测试信号计算得出的频率谱进行比较，若激励频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围内，则判定进出口管道的振动不合格，结束评价；若激励频率与频率谱的相近值或倍频值在设定范围外，则转入步骤(3)；
(3)强制机械响应分析评价
采用振动峰值速度评价方法进行分析评价，具体分析评价过程为：根据实测振动测试信号计算得出频率谱，将频率谱中的最大峰值振动速度值与进出口管道的允许峰值速度最大值进行比较，若频率谱中的最大峰值振动速度值小于允许峰值速度最大值，则判定进出口管道的振动合格；若频率谱中的最大峰值振动速度值大于允许峰值速度最大值，且小于允许峰值速度最大值的2倍值，则判定进出口管道的振动为应评估，需要长期跟踪进出口管道的振动状态；若频率谱中的最大峰值振动速度值大于允许峰值速度最大值的2倍值，则判定进出口管道的振动不合格；
所述步骤(1)中的设定范围是指固有频率与频率谱的相近值或倍频值在8Hz以内；
所述步骤(2)中的设定范围是指激励频率与频率谱的相近值或倍频值在4Hz以内。
2.根据权利要求1所述的输气站增压泵进出口管道的振动评价方法，其特征在于：所述的根据实测振动测试信号计算得出频率谱是指采用振动传感器采集输气站增压泵进出口管道的振动测试信号，且针对采集的振动测试信号，选取时域数据，处理时间范围不小于60秒，每秒的平均次数不小于5次；转换的函数关系为频率谱，转换时使用汉宁窗函数加窗，转换后的数据单位为速度值，并且不加权。
3.根据权利要求1或2所述的输气站增压泵进出口管道的振动评价方法，其特征在于：所述步骤(3)中进出口管道的允许峰值速度最大值的计算方法为：
式中
表示进出口管道的允许峰值速度最大值；
13.4——转换系数，mm/s/MPa；
C1——补偿特征管段上集中质量影响的修正系数；
C4——端部条件修正系数；
Se1——交变应力；
C3——管道内介质和管道保温层的修正系数；
C5——考虑强迫振动偏离共振的修正系数，等于管跨第一阶固有频率与测得的频率之比；
C2——二次应力指数；
K2——局部应力指数；
α——许用应力减弱系数。
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| CN106934138A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-07-07 | 中国石油大学(北京) | 内输气液两相段塞流的海底管道悬跨段振动特性分析方法 |
| CN109063246A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-12-21 | 四川长虹空调有限公司 | 变频压缩机配管振动评价方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 柳鹏 ; 钱立波 ; .核电厂工艺系统管道振动测量与评价方法.中国核电.(第03期),297-307. * |
| 邹新健 ; .往复式压缩机管道振动的核算.科技视界.(第14期),66-67. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111222277A (zh) | 2020-06-02 |
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