应用颗粒阻尼技术降低压力表及其测压细管振动的研究

马 育, 滕汉东

(1. 国家管网集团东部原油储运有限公司 生产运行部,江苏 徐州 221008; 2. 南京航空航天大学 航空学院,南京 210016)

我国大部分原油和成品油依靠长距离管道输送,这些管道带压输运,跨越距离长,且翻越山脉、丘陵等各种地形地貌。当管道出现泄露或者被打洞偷盗时,管道压力将出现下降;另外,当输油站主输泵出现故障时,泵进、出口管道的压力值也会出现异常。因此,准确监测管道内油品压力,对于预防跑油及其引发的安全、环保事故,对于监控主输泵运行状态是否健康意义重大。

管网集团某输油站P4主输泵输油时,出口管道上的压力表振动剧烈,造成其指针来回甩动,压力值飘忽不定,显示值忽而低至2.5 MPa,忽而高至5 MPa,无法准确表征出口管道内油品压力。如图1所示,压力表的下方测压细管和出口主管道焊接连接,经现场振动测试,此测压细管振动非常剧烈,导致上部安装的压力表振动大、指针来回甩动;因此对测压细管开展减振工作将解决压力表无法准确表征管道内油品压力的问题。同时也能减少测压细管根部焊缝那里的交变应力,避免焊缝开裂,杜绝油品泄露引发的安全和环保事故。

图1 某输油站主输泵出口管道上的压力表Fig.1 The pressure gauge on the crude oil pipeline of the oil transportation station

有很多科研工作者开展了压力表和管道的减振研究工作。其中,方军[1]为解决压缩机进口管路球阀旁通细管振动问题,运用ANASYS和FLUENT软件计算了管路的模态,寻找了管道低频振动的原因,在球阀附近增加了管道支撑,降低了管道振动位移。黄艳萍针对柱塞泵上压力表剧烈振动问题,采用内嵌钢丝骨架的PVC(polyvinyl chloride)软管代替原有钢管的办法进行减振,该方法需要切割原来钢管,停产进行作业,并且带钢丝骨架的PVC软管承压1.2 MPa,远低于原油及成品油长输管道内的压力;周艳秋等[2]为解决压力表振动剧烈易松动以及部分表盘因安装位置不佳,巡检人员难以观察等问题,采用铜垫片替换原有预紧力逐渐降低的聚四氟乙烯垫片,解决了压力表因松动引发振动的问题,在压力表安装锁扣上增加了一个活接装置,使压力表表盘可随意更改方向,便于巡检人员观察。刘彬彬等[3]采用管道吸振器开展了飞机管道系统的减振工作,王硕等[4]利用蜂窝阻尼处理酸循环管线振动剧烈的问题,取得了不错的减振效果。本次拟减振的细管直径只有15 mm,三向管道吸振器及其他减振装置都没有安装空间,本文在不改变现有管道结构的前提下,采用颗粒阻尼技术对压力表及下方细管开展减振工作,具体工作详述如下。

1 压力表振动及颗粒阻尼器方案

1.1 压力表振动测试

本文采用三向加速度传感器开展压力表下方细管的振动测试,测点如图2所示,其中x方向定义为水平向右,y方向定义为沿着细管长度方向,即图2中垂直地面向上;z方向定义为细管水平垂直方向,即图中指向外的方向。

图2 压力表振动测试Fig.2 Vibration measurement of the pressure gauge

将测点3个方向的振动响应绘制在图3中,计算这3个方向振动响应的RMS(root mean square)值,分别为x向52.57 m/s2,y向20.48 m/s2,z向29.3 m/s2;进一步对3个方向的振动加速度开展频谱分析,将幅值谱绘制在图4中,其中在299.3 Hz频率处,x向加速度幅值63.09 m/s2,y向加速度幅值20.55 m/s2,z向加速度幅值34.59 m/s2。

图3 细管减振前的三向振动加速度Fig.3 The vibration levels of the thin tube without particle damper

图4 减振前振动加速度的幅值谱Fig.4 Response spectrum of the thin tube without particle damper

从上述数据可以看出,细管3个方向的振动都较为剧烈。此细管直径只有15 mm,且有多个变直径结构,故设计的颗粒阻尼器要求小巧易安装,兼有良好的减振效果。

1.2 颗粒阻尼减振机理及阻尼器方案

颗粒阻尼器固定安装在待减振的主结构上,其中颗粒和颗粒之间,颗粒和阻尼器壁之间都会发生碰撞和摩擦,非弹性碰撞和摩擦会大量消耗主结构能量,使其振动响应降低,这些颗粒在整体上表现出很强的阻尼特性。

1.2.1 减振机理

本文把颗粒间法向力简化为弹簧和阻尼器,切向力简化为弹簧、阻尼器和滑动器,引入弹性系数和阻尼系数等参数,不考虑颗粒表面变形,依据颗粒间法向重叠量和切向位移计算接触力。如图5所示,颗粒i在自身惯性和外力作用下与颗粒j发生碰撞,虚线表示开始接触时颗粒的位置。随着两颗粒相对运动,颗粒表面产生接触力,下面计算法向重叠量α和切向位移δ,进而得到接触力。

图5 颗粒碰撞模型Fig.5 Particle collision diagram

法向力Fnij是弹簧和法向阻尼器作用在颗粒i上的弹性力和阻尼力的合力,根据Hertz接触理论,Fnij表示为

(1)

式中:α为法向重叠量;α=Ri+Rj-|ri-rj|;vij为颗粒i相对于颗粒j的速度;vij=vi-vj;n为从颗粒i球心到颗粒j球心的单位矢量;n=(ri-rj)∕|ri-rj|;kn和cn为颗粒i的法向弹性系数和法向阻尼系数。

切向力Ftij[5-7]可以表示为

Ftij=-ktδ-ctvct

(2)

式中:kt和ct为切向弹性系数和切向阻尼系数;vct为接触点的滑移速度;δ为接触点的切向位移。

滑动速度矢量vct[8-10]为

vct=vij-(vij·n)n+Riωi×n+Rjωj×n

(3)

式中:Ri和Rj分别为颗粒i和颗粒j的半径;ωi和ωj分别为颗粒i和颗粒j的角速度。

如果此时切向力Ftij大于颗粒间接触点的静摩擦力,则颗粒i相对于颗粒j发生滑动,切向力为

Ftij=-μs|Fnij|nt

(4)

式(4)就是库仑摩擦定律;μs为滑动摩擦因数。

切向单位矢量nt由式(5)确定

(5)

颗粒i受到的合力和合力矩为

Fij=Fnij+Ftij,Tij=Rin×Ftij

(6)

整个系统中作用在颗粒i上的总力和总力矩为

(7)

颗粒i的动力学方程为

(8)

式中:pi为颗粒i重心的位移矢量;φi为颗粒i的角位移矢量。

法向弹性系数kn,即式(1)中的kn由Hertz接触理论确定

(9)

式中:Ei和Ej分别为颗粒i,j的材料弹性模量;vi和vj分别为颗粒i,j的材料泊松比。

切向弹性系数kt,即式(1)中的kt由Mindlin-Deresiewicz接触理论确定

(10)

式中,Gi和Gj分别为颗粒i和颗粒j的剪切模量。

阻尼系数cn如下

(11)

式中,e为恢复系数,由试验测量得到。

颗粒阻尼的耗能机理比较复杂,但总的来说可以归结为两个方面:非弹性碰撞耗能和摩擦耗能,以两颗粒碰撞模型为例,其碰撞耗能公式[11]为

(12)

式中:m1和m2分别为两个颗粒的质量;e为两颗粒的弹性碰撞恢复系数;vrel为两颗粒碰撞前的相对运动速度。

颗粒间发生相对滑动,产生摩擦耗能,耗能公式为

ΔEf=|μsFnijδ|

(13)

式中:Fnij为两颗粒间的法向力大小;δ为两颗粒之间的切向位移量。

颗粒与容器壁间相互作用造成的能量损失可通过同样的方法计算。总耗能为所有颗粒之间以及颗粒与阻尼器内壁之间的非弹性碰撞耗能和摩擦耗能的总和,即

(14)

1.2.2 阻尼器方案

(1)阻尼颗粒的选择

阻尼器由阻尼器空腔和充填的阻尼颗粒构成。本研究选择阻尼颗粒时,考虑了以下两点原则:一是使用环境的防爆原则;二是颗粒碰撞耗能大,减振效果优的原则。

金属的碰撞恢复系数如表1所示,可以看出铜的碰撞恢复系数较小,根据碰撞耗能式(12),选择铜质颗粒也是比较合适的。

表1 金属材料碰撞恢复系数Tab.1 Coefficient of collision recovery between metallic materials

当颗粒间发生相对滑动,从摩擦耗能式(13)来说,在相同的法向力和切向位移情况下,选择大摩擦因数的颗粒材质为佳,此种颗粒无疑更适合减振。查阅了部分常用金属材料间的摩擦因数,如表2所示。可以看出铜-铜之间的摩擦因数是比较大的,故本研究选用的阻尼颗粒为铜颗粒。

表2 金属材料间的滑动摩擦因数Tab.2 Coefficient of sliding friction between metallic materials

(2)阻尼器

压力表下方细管直径为15 mm,为便于安装,阻尼器设计成半圆形空腔结构,如图6(a)所示,类似抱箍并含有可充填颗粒的空腔,此结构壁上加工有填充颗粒的螺纹孔,直径1 mm的铜质颗粒如图6(a)所示,颗粒经由阻尼器壁上的螺纹孔进行填充,其中填充率为70%,最后用螺栓进行密封。

图6 阻尼器的结构及铜质颗粒及阻尼器在细管上的安装Fig.6 The structure of particle damper and copper particlesand particle damper and its application for the thin tube

将上述充填铜质颗粒后的两半圆弧阻尼器套装在压力表下方的细管上,用螺栓进行固定,如图6(b)所示,即完成阻尼器和细管的减振安装,其不改变压力表及其下方细管的原有结构,具有安装方便的优点。

2 颗粒阻尼减振效果

安装阻尼器后,在相同工况和相同测点处,进行了振动测试,三向振动加速度如图7所示。

图7 细管减振后的三向振动加速度Fig.7 The vibration levels of the thin tube with particle damper

计算这3个方向振动响应的RMS值,其中x向是32.57 m/s2,y向是19.02 m/s2,z向是15.06 m/s2;进一步对振动加速度开展频谱分析,将幅值谱绘制在图8中,其中在299.3 Hz频率处,x向加速度幅值23.34 m/s2,y向加速度幅值10.84 m/s2,z向加速度幅值10.54 m/s2。对比图4的减振前加速度幅值,可以看出减振后的299.3 Hz线谱值大幅降低。

图8 减振后振动加速度的幅值谱Fig.8 Response spectrum of the thin tube with particle damper

将减振前、后的3个方向振动加速度RMS(root mean square)值列于表3中,比较得出安装颗粒阻尼器前后的减振效果。

表3 减振前、后压力表的振动值Tab.3 The vibration levels of the pressure gauge with and without particle damper

从表3中可以看出,x方向和z方向都有38%以上的减振效果,而y方向减振效果稍差,从图2可以看出,传感器的y向对应着压力表下方细管的轴向,即铅锤于地面的方向,此方向的压力表及下方细管和出口主管道焊接在一起,受其约束作用,压力表及下方细管此方向的振动受出口主管道的振动影响较大,即y方向减振效果弱。但是压力表的x方向和z方向振动代表着压力表及细管的水平方向甩动,此时颗粒阻尼器表现出较好的减振效果。减振后,压力表读数稳定在3.6 MPa,解决了指针来回甩动的问题。

3 结 论

借助颗粒阻尼技术研究了压力表及其测压细管的减振,在直径15 mm细管道上设计并安装了颗粒阻尼器,根据振动测试结果得出如下结论:

(1)颗粒阻尼技术应用于管道减振,具有较好的减振效果,减振效果实测达到38%以上。

(2)根据颗粒碰撞耗能分析结果,选用的铜质阻尼颗粒,具有防爆、减振效果优异的特点。

(3)采用颗粒阻尼器解决压力表及其测压细管振动偏高的问题,不需要拆解管道,只需要在外部加装阻尼器就能达到效果,避免管道停输检修,不会影响正常的输油生产。