往復(fù)式壓縮機(jī)管道應(yīng)力分析方法

余婷，蒲紅宇，吳艷冰，廖軍睿，張宗嵐

（西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500）

往復(fù)式壓縮機(jī)管道應(yīng)力分析方法

余婷，蒲紅宇，吳艷冰，廖軍睿，張宗嵐

（西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500）

本文提出了運(yùn)用CAESARII、AUTOPIPE和PULS軟件對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)管道進(jìn)行管道應(yīng)力分析的方法，并以某氣田天然氣壓縮機(jī)為實(shí)例，分別建立了其進(jìn)、排氣管線的應(yīng)力分析模型和聲學(xué)模擬模型，并完成了其管道的應(yīng)力分析計(jì)算。

壓縮機(jī)；管道；應(yīng)力分析；振動(dòng)；共振

在天然氣開(kāi)發(fā)與運(yùn)輸?shù)脑鰤侯I(lǐng)域，往復(fù)式壓縮機(jī)以其進(jìn)、排氣壓力的覆蓋廣泛，能源效率表現(xiàn)卓越且故障率低等優(yōu)點(diǎn)得到了較為廣泛的應(yīng)用[1-3]。一般工況條件下，由于往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特性，其引起的壓力不均勻易導(dǎo)致管線出現(xiàn)異常振動(dòng)的現(xiàn)象。在實(shí)際工作中，強(qiáng)烈的管道振動(dòng)存在嚴(yán)重的安全隱患，易導(dǎo)致泄漏及爆炸等危險(xiǎn)，造成財(cái)產(chǎn)損失，并對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。而上述情況的產(chǎn)生，主要是由于管道的振動(dòng)會(huì)加劇管線連接處的松動(dòng)與破壞。因此，從設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性角度考慮，結(jié)合工程實(shí)際出發(fā)，對(duì)壓縮機(jī)與管道的連接進(jìn)行科學(xué)合理的力學(xué)分析。

1 分析方法

考慮到不同的壓力計(jì)算軟件具有不同技術(shù)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，本次分析中聯(lián)合采用CAESARII、AUTOPIPE和PULS三個(gè)軟件。其中AUTOPIPE和PULS用于模擬壓縮機(jī)內(nèi)的氣流脈動(dòng)情況，計(jì)算壓縮機(jī)管道內(nèi)壓力不均勻度，并得到氣流脈動(dòng)引起的振動(dòng)荷載；而CAESARII用于對(duì)各種荷載進(jìn)行綜合處理。

1.1 荷載的選取

應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)該考慮的荷載包括壓力荷載、持續(xù)性荷載、溫度荷載和振動(dòng)荷載。具體荷載的確定按照ASMEB31.3或者GB50316-2000和GB/T20801-2006的要求進(jìn)行[4-6]。

1.2 邊界條件的處理

應(yīng)力分析的邊界條件主要包括三類(lèi)：壓縮機(jī)管道力學(xué)模擬的邊界條件，埋地管道的特殊處理，壓縮機(jī)聲學(xué)模擬的邊界條件。

1.2.1 力學(xué)模擬邊界條件

通常來(lái)說(shuō)，力學(xué)模擬的邊界條件分為以下三個(gè)部分：（1）位移邊界條件，其主要包括壓縮機(jī)管系各約束點(diǎn)的約束條件、附加位移等。（2）力邊界條件，其主要包括管系的集中荷載和分布荷載等。（3）彈簧邊界條件。在實(shí)際工作中，往復(fù)式壓縮機(jī)管線的模擬時(shí)邊界條件也主要體現(xiàn)在這三種條件上，約束條件往往位于管道的支架，支撐點(diǎn)及管道的起止點(diǎn)等位置，其中管道與設(shè)備的連接位置對(duì)應(yīng)于位移條件，而氣流脈動(dòng)引起的異常振動(dòng)載荷則對(duì)應(yīng)于力邊界條件。

1.2.2 埋地管道的處理

實(shí)際情況下，壓力和溫度變化均會(huì)導(dǎo)致管道產(chǎn)生很大的軸向應(yīng)力，軸向限制是埋地情況下管線的最大受力特點(diǎn)。在土壤與管道的力學(xué)分析中，軸向摩擦力與橫向推力的模擬方法決定了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般認(rèn)為，由于管道橫向位移的存在，才引起了土壤對(duì)管道軸向摩擦力的反作用力。與管道橫向位移所對(duì)應(yīng)，土壤會(huì)產(chǎn)生橫向推力的反作用力。采用雙線性彈簧約束模擬土壤對(duì)管道的作用，是進(jìn)行埋地管道應(yīng)力分析時(shí)普遍采用的方法。

1.2.3 聲學(xué)模擬邊界條件

聲學(xué)模擬邊界條件主要體現(xiàn)在聲學(xué)模擬開(kāi)端、閉端的處理上。在聲學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)中，我們采用PULS軟件進(jìn)行。參照PULS軟件相關(guān)參考資料可知，該軟件中的邊界條件主要分為開(kāi)源條件，閉源條件，無(wú)響應(yīng)端及往復(fù)式壓縮機(jī)四種情況。

2 工程實(shí)例

2.1 壓力不均勻度的計(jì)算

圖1為建立的壓縮機(jī)進(jìn)排氣管線的PULS分析模型，圖2給出了部分壓縮機(jī)模擬管點(diǎn)的壓力脈動(dòng)圖，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知壓縮機(jī)進(jìn)氣管線的壓力不均勻度小于2，而排氣管線的壓力不均勻度小于5，均滿(mǎn)足控制規(guī)范的要求。

圖1 壓縮機(jī)進(jìn)排氣管線PULS分析模型

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

本例中分析的壓縮機(jī)為單作用壓縮機(jī)，其分析時(shí)轉(zhuǎn)速為440RPM，其激振頻率為7.333Hz。取0.8～1.2倍的管系固有頻率（進(jìn)氣管線的一階自然頻率為11.445Hz，排氣管線的一階自然頻率為9.794Hz）作為共振區(qū)，那么進(jìn)氣管線共振區(qū)范圍為9.156～13.734Hz，排氣管線的共振區(qū)范圍為7.8352～11.7528Hz。由此可見(jiàn)激振頻率避開(kāi)了共振區(qū)范圍，不可能發(fā)生共振。

2.3 應(yīng)力分析結(jié)果由于往復(fù)式壓縮機(jī)管系的復(fù)雜性，文中只給出部分重要管點(diǎn)（三通、彎頭）的應(yīng)力分析結(jié)果，見(jiàn)表1。從分析結(jié)果可以看出，壓縮機(jī)排氣管道的應(yīng)力明顯大于進(jìn)氣管道，但其應(yīng)力分布均滿(mǎn)足規(guī)范的控制要求。

TB652

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1671-0711（2016）10（下）-0083-02