天然气压缩机站场工艺管道振动分析技术探讨

冷俊 吴卓谦 廖凯 蒋冲 赵勇

摘 要：随着天然气工业的发展，大型压缩机组越来越广泛的应用于天然气长输管道工程。结合工程实际应用，对已有的压缩机站场工艺管道振动分析方法作出改进。通过管道应力分析软件CAESAR Ⅱ和科学仿真计算软件Matlab的联合使用，合理、有效的对天然气压缩机站场工艺管道振动情况进行分析。

关 键 词：压缩机；管道；固有频率；气柱；振动

中图分类号：TQ 051 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1690-03

Discussion on Analysis Methods of Pipeline Vibration

in Natural Gas Compressor Stations

LENG Jun1， WU Zhuo-qian2， LIAO Kai3， JIANG Chong4， ZHAO Yong5

（1. School of Oil & Natural Gas Engineering，Southwest Petroleum University， Sichuan Chengdu 610000， China；

2. Gas Management Office，Southwest Oil and Gas Company， Sichuan Chengdu 610000， China；

3. Shunan Gas Field of Southwest Oil & Gas Field Company， Sichuan Shunan 646000， China；

4. Jiangxi Natural Gas Co.， Ltd，， Jiangxi Nanchang 330029， China；

5. Lan-Cheng-Yu Oil Product Transportation Subcompany， Sichuan Chengdu 61000， China）

Abstract： With the rapid development of natural gas industry， large-scale compressor sets have been widely used in long distance natural gas pipeline projects. Based on the practical application in a compressor station， the analysis method of pipeline vibration in the compressor station was improved by using CAESAR Ⅱ and Matlab， a reasonable and efficient vibration analysis method of the pipeline of natural gas compressor station was put forward.

Key words： Compressor； Pipeline； Resonant frequency； Air column； Vibration

根据世界石化工业100起特大财产毁损事件分析表明，由管道振动引发的事故为19%，排在第二位（第一位是机械故障）[1]。

在生产实际中，强烈的管道振动，将会使管路附件，尤其是管道的连接部位、管道与附件的连接部位和管道与支架的连接部件等处发生磨损、松动；在振动所产生的交变

应力作用下，导致疲劳破坏，从而发生管线断裂、介质外泄，甚至引起严重的生产事故，給生产和环境造成严重危害。对于压缩机站来说，压缩机进出口管道直接与振动源相连，对其进行振动分析是很有必要的。

以前的研究未考虑气柱共振的影响，或气柱固有频率计算结果不太理想，本文根据工程的实际应用，提出的分析方法考虑了气柱共振影响，同时提高了气柱固有频率计算的准确度。

1 压缩机站场工艺管道振动

压缩机站场是长距离输气管道的重要组成部分。压缩机进出口管道直接与压缩机相连，易受振动源激发，产生振动。如果激发源的振动频率与管道的固有频率一致或接近将会产生共振，容易造成对管道的破坏，引发事故。同时管道内填充的气体也有自身的固有频率，若激发频率接近该频率，该气柱系统也会产生响应，引发共振，对管道系统造成破坏。因此，对这两个振动系统进行分析，找到其共振可能发生的频率范围，可对压缩机站的工艺管道设计以及运营维护阶段的事故分析提供帮助。

天然气压缩机站场工艺管道的振动由两个振动系统构成。一是机械振动系统，由管道、管道附件、容器、支架等构成，受到激发后产生机械振动响应。二是气柱振动系统，即充斥于管路内的气体，它具有自己的固有频率，这个系统受到一定的激发后也会产生振动响应。激发源的振动频率与任一系统的固有频率接近，该系统就会发生共振。

在对新疆某压缩机站场振动分析过程中，整理出一套合理的方法，且对以前的方法作了改进。

2 振动分析

使用管道系统设计和应力分析的专业软件CAESAR Ⅱ建立管道模型，根据该压缩机站场的实际情况，设置相应约束，在其动态分析模块中进行管系固有频率的计算。为了准确的求出气柱各阶固有频率，使用频响函数法替代宋晓辉等[2]采用的转移矩阵法进行气柱固有频率的计算。频响函数法能有效避免转移矩阵法遗漏气柱某些阶次固有频率的现象[3]。使用商业数学软件MATLAB编制程序计算得到气柱固有频率，将管系固有频率和气柱固有频率分别与激发频率比较。分析引起振动的主要原因，提出针对性的措施。

2.1 激发频率

往复式压缩机的激发频率[4]：

（1）

式中：m —气缸作用方式的一个数，当单作用时，m=1；当双作用时， m=2；

n —压缩机曲轴转速，r/min。

根据上式计算得该压缩机站场工艺管道的激发频率为382 Hz。

2.2 机械固有频率

在管道应力分析软件CAESAR Ⅱ中建立管道模型，根据管道的实际情况设置管道的约束条件（图1）。该压缩机站场由于进出口管系之间有一条旁通连接，因此在分析其管系固有频率时建立了压缩机区进出口管系的整体模型。

图1 管道振动分析模型

Fig.1 The model of pipeline vibration analysis

使用该软件的动态分析模块“Dynamic Analysis”计算出该管系的各阶固有频率（表1）。

由于激发频率为382 Hz，因此激振频率在管系的67阶、68阶固有频率之间，较为接近68阶，通过CAESAR Ⅱ的振动仿真动画“Animation”可判断，此时的共振形式为压缩机出口管线临近压缩机出口直管段的拉伸和压缩（67阶），压缩机进口管线临近进口部分至管段的拉伸和压缩（68阶）、连接进出口管线的旁通管在阀门附近的拉伸和压缩（69阶）。若现场的共振破坏区域在这些区域，则该管系的振动破坏可能来源于机械振动系统的共振。

表1 管系固有频率

Table 1 The natural frequency of pipeline system

阶次 频率/Hz 阶次 频率/Hz

64 326.900 69 389.264

65 336.839 70 392.201

66 341.394 71 398.320

67 344.223 72 399.762

68 387.039 73 413.505

这种情况下，可以采取减少弯管数量，适当增加支撑数，减少两支承间的跨度等措施，达到增加系统刚度的目的[5]。

2.3 气柱固有频率

工程上，管道系统气柱固有频率一直采用的转移矩阵法（以下称GTMM）进行计算。但相比于以前采用传递矩阵法可能发生漏根的现象，本文采用的频响函数法，能克服GTMM漏根的缺点，计算结果更加准确。

任何复杂的管网系统总是由管道的基本元件组成，可将其分成直管元件和集中阻力元件。一般来说，管系内任一点的波动情况是由该点的脉动压力P及脉动质量流量 确定。在简谐波动情况下，假定任一元件进出口两端点i、j的压力和脉动质量流量幅值分别为 、 、 、 。对于等截面管，由线性波动理论可得管段进出口处四个参数的关系为：

（2）

其中， （3）

式中： ； ； ； ；

R—管道沿程阻力系数；

S—管道横截面积，m2；

f—管道摩擦系数；

D—管道内径，m；

a—介质声速，m/s；

u0—介质平均流速，m/s；

w—激振圆频率，rad/s。

KP为直管的单元刚度阵。集中阻力原件的单元刚度阵为

（4）

式中： ；

—局部损失系数。

通过直管单元的单元刚度阵和集中阻力原件的刚度阵可拼装出整个系统的总刚度阵 ，且

（5）

式中： P —节点压力幅值， ；

E—外界流入结点的脉动质量流量幅值， 。

对相应边界结点进行处理后，可以得到结点压力P与外界流入体积质量流量的关系：

（6）

當E已知的情况下可以通过上式求得，

（7）

式中F为K的逆矩阵。其i行j列元素fij表示当系统只在j结点有单位信号输入（即脉动质量流量）时在i结点的输出响应（即脉动压力）。

刚度阵是圆频率w的函数，通过对w反复赋值，找到满足条件的w值，这些值就是气柱固有频率。使用计算机可以很好的完成气柱固有频率的求解。

使用频响函数法，在Matlab中进行该压缩机站气柱固有频率计算。计算结果见表2。

表2 气柱固有频率

Table 2 The natural frequency of air column

阶次 频率/Hz 阶次 频率/Hz

11 286.6630 15 394.1616

12 304.5795 16 429.9945

13 340.4123 17 447.9110

14 376.2452 18 483.7438

由于激振频率为382 Hz，在气柱固有频率14、15阶之间，发生气柱共振的可能性不大。但应考虑到计算气柱固有频率时，刚度矩阵中的声速受温度影响，在温度变化的情况下气柱固有频率可能与激振频率接近。若现场振动破坏的区域不在机械振动系统分析的区域，振动破坏原因应考虑为气柱共振。

这种情况下，应针对管系进行改造，如在破坏区域附近的弯头应尽量采用45°或大弯曲半径弯头，减少激振力的影响；考虑在压缩机出＼入口设置缓冲罐（视破坏区域选定）等。

3 结 论

通过本文提出的方法能对天然气压缩机站场工艺管道振动情况进行分析，诊断管道剧烈振动或破坏的原因是来自于机械系统的共振还是来自于气柱系统的共振，针对性的制定保护措施。本文的方法，在对气柱固有频率计算时使用了改进的计算方法，比之以前使用的GTMM，规避了漏根的风险，能更准确的诊断管道振动与气柱固有频率之间的关系，分析压缩机站场工艺管道振动原因。

在结合实际工程应用的基础上，针对机械系统共振和气柱共振两种不同的情况提出了相应的改进措施。

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（上接第1689页）

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