基于CAESAR II的油氣管道模態(tài)分析

高德潔 王鑫 齊保坤

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司天津分公司，天津300457；2.天津市大和勞務(wù)服務(wù)有限責(zé)任公司，天津300457；3.海洋石油工程股份有限公司，天津300457）

0 引言

通常油氣管道項目在設(shè)計階段，僅對往復(fù)壓縮機進(jìn)行振動分析，但一些在役離心泵進(jìn)出口管道也會發(fā)生振動。本文建立不同CAESAR II 模型，通過對不同模型進(jìn)行模態(tài)分析，并結(jié)合某油庫項目對管道安裝進(jìn)行優(yōu)化的實例，找出影響管道頻率的關(guān)鍵因素。

1 概述

排除離心泵自身問題，及安裝施工問題，本文僅考慮固有頻率對油氣管道振動的影響。由于油氣介質(zhì)固有頻率一般在0-1Hz之間，且振幅很大，如管道與油氣介質(zhì)產(chǎn)生共振，破壞力很大，為防止機械共振，要控制管道固有頻率避開0-1Hz，應(yīng)盡量控制到不低于3Hz。分析不同因素對管道固有頻率的影響，以便有針對性調(diào)整管道固有頻率，減小管道振動。

2 分析不同因素對管道固有頻率的影響

建立不同跨距，不同彎頭數(shù)，不同支撐形式的Caesar II 模型，分析管道固有頻率的影響因素。

2.1 不同跨距對頻率的影響

分別建立跨距為24m，12m，6m的管道模型，對其進(jìn)行模態(tài)分析。通過模態(tài)分析，可以得出跨距為24m,12m,6m 的管道第一階頻率分別為1.469Hz，1.614Hz，1.672Hz；第二階頻率分別為1.487Hz，1.676Hz，1.777Hz；第 三 階 頻 率 分 別 為2.382Hz，2.620Hz，3.176Hz；第 四 階 頻 率 分 別 為2.480Hz，2.981Hz，3.661Hz。

由此得出跨距越小，管道的固有頻率越大。適當(dāng)減小跨距，可以提高管道的固有頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 不同彎頭個數(shù)對頻率的影響

分別建立彎頭個數(shù)為2個，4個，6個的管道模型，對其進(jìn)行模態(tài)分析。

通過模態(tài)分析，可以得出彎頭個數(shù)為2個，4個，6個的管道第一階頻率分別為2.258Hz，2.541Hz，2.600Hz；第二階頻率分別為3.115Hz，3.388Hz，3.309Hz；第 三 階 頻 率 分 別 為4.104Hz，5.144Hz，4.538Hz；第 四 階 頻 率 分 別 為9.148Hz，5.782Hz，6.067Hz。

由此，可以得出彎頭個數(shù)越多，管道頻率越低。可以適當(dāng)減小彎頭個數(shù)，來提高管道的固有頻率。

2.3 不同支撐形式對頻率的影響

分別建立支撐全為滑動，全為導(dǎo)向，全為管卡的管道模型，對其進(jìn)行模態(tài)分析。

通過模態(tài)分析，可以得出支撐全為滑動，全為導(dǎo)向，全為管卡的管道第一階頻率分別為2.258Hz，23.227Hz，30.465Hz；第二階頻率分別為3.115Hz，31.402Hz，38.074Hz；第三階頻率分別為4.104Hz，38.311Hz，41.896Hz；第 四 階 頻 率 分 別 為9.148Hz，50.425Hz，61.521Hz。

由此，全管卡約束管道時，固有頻率最大；全導(dǎo)向約束時，固有頻率次之；全滑動約束時，固有頻率最小。

綜上，可以得出支撐形式對管道固有頻率影響最大，當(dāng)管道固有頻率需大幅度增大時，改變管道支撐形式，最為簡單有效。

3 應(yīng)用實例

某油庫泵區(qū)三臺正在運行的泵進(jìn)出口匯管上平臺后，平臺上管道振動比較嚴(yán)重，對其管道進(jìn)行模態(tài)分析，以便通過較小改動，來減小管道的振動。具體管道參數(shù)如表1所示。

表1 管道參數(shù)表

圖1 泵進(jìn)出口管道CAESAR II模型

參見圖1，通過模態(tài)分析可以得出，第一階頻率為0.177Hz，第二階頻率為0.250Hz,第三階頻率為0.644Hz，第四階頻率為0.898Hz。前四階頻率很低，均小于1HZ。

第一、二階固有頻率對應(yīng)的振型與現(xiàn)場觀察到的管道振動特征相吻合，振幅較大的位置出現(xiàn)在管網(wǎng)及平臺上。進(jìn)而對管網(wǎng)和平臺上的管道進(jìn)行加固，將滑動管托更換為導(dǎo)向管托再次進(jìn)行模態(tài)分析。

加固后，第一階頻率為3.557Hz,第二階頻率為4.058Hz,第三階頻率為4.961Hz,第四階頻率為5.491Hz。圖2 是加固前后管道前4階頻率等對比圖。

圖2 加固前后管道前4階頻率對比圖

對比未加固之前的泵進(jìn)出口管道，其前4 階頻率有了明顯的增加，管道的一階頻率已由加固前的0.177Hz 增加到加固后的3.557Hz，增長幅度為20 倍；且前四階頻率均大于3Hz，按照理論是可以有效避免機械共振的產(chǎn)生的振動。通過現(xiàn)場反饋，按照此辦法調(diào)整支撐，確實振動情況減輕。

表2 調(diào)整模型前后的一次、二次應(yīng)力對比表

從表2可以看出，頻率增大的同時，二次應(yīng)力比例從18.7%升高至69.9%，可以滿足ASME B31.3要求，但大幅度提高，需引起注意，且不經(jīng)過模態(tài)分析，不可以在現(xiàn)場隨意增加限位支撐。

4 結(jié)語

通過對管道進(jìn)行模態(tài)分析，得出改變支撐形式的方式，可以提高管道的固有頻率，以減小管道的振動，但與此同時，導(dǎo)致管道柔性變差，管道二次應(yīng)力增加，不經(jīng)過模態(tài)分析不可以現(xiàn)場隨意改變支撐形式，容易造成二次應(yīng)力超過標(biāo)準(zhǔn)要求，引起管道的破壞。