往复式压缩机管道应力分析方法

余婷，蒲红宇，吴艳冰，廖军睿，张宗岚

（西南石油大学土木工程与建筑学院，四川 成都 610500）

往复式压缩机管道应力分析方法

余婷，蒲红宇，吴艳冰，廖军睿，张宗岚

（西南石油大学土木工程与建筑学院，四川 成都 610500）

本文提出了运用CAESARII、AUTOPIPE和PULS软件对往复式压缩机管道进行管道应力分析的方法，并以某气田天然气压缩机为实例，分别建立了其进、排气管线的应力分析模型和声学模拟模型，并完成了其管道的应力分析计算。

压缩机；管道；应力分析；振动；共振

在天然气开发与运输的增压领域，往复式压缩机以其进、排气压力的覆盖广泛，能源效率表现卓越且故障率低等优点得到了较为广泛的应用[1-3]。一般工况条件下，由于往复式压缩机的工作特性，其引起的压力不均匀易导致管线出现异常振动的现象。在实际工作中，强烈的管道振动存在严重的安全隐患，易导致泄漏及爆炸等危险，造成财产损失，并对人身安全构成威胁。而上述情况的产生，主要是由于管道的振动会加剧管线连接处的松动与破坏。因此，从设备的安全性、稳定性角度考虑，结合工程实际出发，对压缩机与管道的连接进行科学合理的力学分析。

1 分析方法

考虑到不同的压力计算软件具有不同技术优势与特点，本次分析中联合采用CAESARII、AUTOPIPE和PULS三个软件。其中AUTOPIPE和PULS用于模拟压缩机内的气流脉动情况，计算压缩机管道内压力不均匀度，并得到气流脉动引起的振动荷载；而CAESARII用于对各种荷载进行综合处理。

1.1 荷载的选取

应力分析时应该考虑的荷载包括压力荷载、持续性荷载、温度荷载和振动荷载。具体荷载的确定按照ASMEB31.3或者GB50316-2000和GB/T20801-2006的要求进行[4-6]。

1.2 边界条件的处理

应力分析的边界条件主要包括三类：压缩机管道力学模拟的边界条件，埋地管道的特殊处理，压缩机声学模拟的边界条件。

1.2.1 力学模拟边界条件

通常来说，力学模拟的边界条件分为以下三个部分：（1）位移边界条件，其主要包括压缩机管系各约束点的约束条件、附加位移等。（2）力边界条件，其主要包括管系的集中荷载和分布荷载等。（3）弹簧边界条件。在实际工作中，往复式压缩机管线的模拟时边界条件也主要体现在这三种条件上，约束条件往往位于管道的支架，支撑点及管道的起止点等位置，其中管道与设备的连接位置对应于位移条件，而气流脉动引起的异常振动载荷则对应于力边界条件。

1.2.2 埋地管道的处理

实际情况下，压力和温度变化均会导致管道产生很大的轴向应力，轴向限制是埋地情况下管线的最大受力特点。在土壤与管道的力学分析中，轴向摩擦力与横向推力的模拟方法决定了分析结果的准确性。一般认为，由于管道横向位移的存在，才引起了土壤对管道轴向摩擦力的反作用力。与管道横向位移所对应，土壤会产生横向推力的反作用力。采用双线性弹簧约束模拟土壤对管道的作用，是进行埋地管道应力分析时普遍采用的方法。

1.2.3 声学模拟边界条件

声学模拟边界条件主要体现在声学模拟开端、闭端的处理上。在声学模拟实验中，我们采用PULS软件进行。参照PULS软件相关参考资料可知，该软件中的边界条件主要分为开源条件，闭源条件，无响应端及往复式压缩机四种情况。

2 工程实例

2.1 压力不均匀度的计算

图1为建立的压缩机进排气管线的PULS分析模型，图2给出了部分压缩机模拟管点的压力脉动图，经过计算可知压缩机进气管线的压力不均匀度小于2，而排气管线的压力不均匀度小于5，均满足控制规范的要求。

图1 压缩机进排气管线PULS分析模型

2.2 模态分析结果

本例中分析的压缩机为单作用压缩机，其分析时转速为440RPM，其激振频率为7.333Hz。取0.8～1.2倍的管系固有频率（进气管线的一阶自然频率为11.445Hz，排气管线的一阶自然频率为9.794Hz）作为共振区，那么进气管线共振区范围为9.156～13.734Hz，排气管线的共振区范围为7.8352～11.7528Hz。由此可见激振频率避开了共振区范围，不可能发生共振。

2.3 应力分析结果由于往复式压缩机管系的复杂性，文中只给出部分重要管点（三通、弯头）的应力分析结果，见表1。从分析结果可以看出，压缩机排气管道的应力明显大于进气管道，但其应力分布均满足规范的控制要求。

TB652

A

1671-0711（2016）10（下）-0083-02