工程设计中往复式压缩机管道防振探讨
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2012年第1期 川 化 29
工程设计中往复式压缩机管道防振探讨
永昱工程公司刘兴龙,罗 婷,李小平
摘要以尿素装置二氧化磁压缩机改变管线走向为例探讨管道防振的一般方法和注意问题,为 p 处理类似问题提供借鉴。 关键词往复压缩机;管道;应力分析;防振
0引 言
川化股份有限公司化肥厂一化尿素装置因二
氧化碳压缩机原因导致原料CO 带油,影响尿素 溶液的质量,同时也对以熔融尿素为原料的三聚
氰胺产品质量产生较大的影响,为降低源头油污 染,决定在一化尿素装置的二氧化碳压缩机上增 加除油装置,而实施该项目需要改变原有二氧化
碳工艺管线的走向,管线本身关联二氧化碳压缩
机,是否会因重新配管而引起压缩机管线的振动 是工程设计中必须考虑的问题。以下就压缩机相
关管线防振问题以CAESAR II VERS 4.30应力 分析软件为辅助设计工具作探讨。
1 问题简述
对于往复压缩机管道气体压力脉动和管道振 动的控制,国内尚无标准,目前主要参考美国石油 学会标准API 618。由于往复压缩机管道的振动 与机器的设计和制造有着直接关系,因此其振动
的控制也应主要由机器制造厂负责。API 618主
要是针对机器制造厂制定的,规定了机器制造厂 家应做的工作和必须满足的要求。川化股份有限
公司化肥厂一化尿素装置有2种规格型号的往复 式二氧化碳压缩机,其中1 、2 、3 同型号,4 为另
一种型号,是一化尿素建厂时的设备,均己运行多 年。本次改造因与压缩机制造厂无合同关系,因
此仅能按相关设计资料分别进行详细的应力计算 和振动分析,以使改造后的管线满足相应工况要 求。以下通过对1 二氧化碳压缩机管线共振管
长和管系固有频率的计算分析阐述管道防振的方 法与思路。
1.1 1 、2 、3 二氧化碳压缩机配管
1 、2 、3 二氧化碳压缩机配管示意图见图l。
图1 1 、2’、3 二氧化碳压缩机配管示意图 固
房柱子 30 川 化 2012年第1期
2防振设计的步骤与计算 2.1.1主要条件与数据
往复压缩机管道的振动原因比较复杂,与机
器本身和缓冲罐(脉动抑制装置)的设计制造直 接相关。对于现有已运行多年的二氧化碳压缩
机,机器本身或脉动抑制装置不存在问题,因此, 本文仅通过计算1 二氧化碳压缩机管道共振管 长和管系固有频率对管道布置和支撑进行调整,
以满足防振要求,而对机器本身或脉动抑制装置 的计算不作阐述。本文以CAESAR II VER 4.30 应力分析软件作为主要辅助设计工具,应力分析
结果由该软件给出,并根据相关结果作合理判断。 2.1共振管长的计算
在布置管道时,除了满足工艺要求外,还应避 免管内气体发生气柱共振以及管道发生机械共 振。在管道防振设计中,首先应根据管内介质和 激振频率计算可能发生气柱共振的管道共振管
长,并使相应的管道长度避开0.8—1.2倍共振管 长。API 618的附录N和其他有关参考文献均列
出了简单情况下共振管长的计算公式。 (1)一端为闭端,另一端为开端的管道 与1倍激振频率相对应的一阶共振管长z 的计算公式如下:
1 口 t
式中 z。——一阶共振管长,m; 0——气体中音速,m/s;
——激振频率,Hz。 与2倍激振频率相对应的二阶共振管长Z
的计算公式如下:
l 3 Ⅱ 7-’
式中 2 ——二阶共振管长,m; 0——气体中音速,m/s;
——激振频率,Hz。
(2)两端均为闭端的管道…
与1倍激振频率相对应的一阶共振管长2 的计算公式如下:
ll! ̄- 1。暑
与2倍激振频率相对应的二阶共振管长f: 的计算公式如下:
= 介质CO2; 介质的等熵指数1.26;
气体常数188 N・m/(kg・K); 气缸数2;
机器转速300 r/min;
工作状态下介质的温度5O℃。 2.1.2主要计算结果
气体中的音速a=276.673 rn/s; 激振频率 =10 Hz;
一端为闭端的一阶共振管长Z。=6.92 m;
一端为闭端的二阶共振管长f =20.75 m; 两端均为闭端的一阶共振管长Z =13.83
m; 两端均为闭端的二阶共振管长12 =27.67
mo 2.1.3主要结论
一端为闭端的一阶共振范围为5.53—8.30
m,一端为闭端的二阶共振范围为16.6—24.9 m, 两端均为闭端的一阶共振范围为l1.07—16.60
m,两端均为闭端的二阶共振范围为22.13~ 33.20 m。配管管长应避免在以上这些区间。
改造后管系配管情况:一端为闭端的管长分 别是4.413 m与0.87 m,在一阶、二阶共振范围
外;两端均为闭端管长分别是3.895 m与1.264
m,在一阶、二阶共振范围外。 通过计算可知,改造后的配管避免了管内气 体发生气柱共振的可能,满足规范要求。
2.2管系固有频率计算 在避免管内气体发生气柱共振的同时还应避
免管道发生机械共振。管道机械共振是指管道结 构固有频率与机器激振力频率十分接近时使管道
振动成倍增大的现象。为了防止机械共振,必须 进行管系固有频率的分析。工程上把0.8~1.2
倍的固有频率范围称为共振区,分析时要求激振
力频率不能落在共振区之内。由于机器的激振频 率是不可更改的,所以要通过调整管系的固有频
率来避开机械共振。
2.2.1管系的一、二次应力分析
采用应力分析软件CAESAR II对管系建立 模型,部分计算书如下。
(1)一次应力 2012年第1期 川 化 31
管道标准B31.3;
应力值74 907.2 kPa; 允许值128 374.3 kPa;
应力值与允许值比58.35%; 弯曲应力4 165.6 kPa;
扭曲应力191.6 kPa;
轴向应力74 907.2 kPa; 环向应力153 666.0 kPa; 空间最大应力165 768.0 kPa。
结论:一次应力检查合格。
(2)二次应力 管道标准B31.3; 应力值57 151.9 kPa;
允许值326 006.5 kPa; 应力值与允许值比17.53%;
弯曲应力57 151.9 kPa; 扭曲应力4 430.4 kPa;
轴向应力1 489.3 kPa; 环向应力0.0 kPa;
空间最大应力57 376.0 kPa。 结论:二次应力检查合格。
从计算书可知,管系的一、二次应力符合规范 B31.3—1999的要求。
2.2.2管系的固有频率计算 CAESAR II软件计算管系的一阶固有频率报
告如下:频率为18.696 Hz(117.471 r/s);周期为
0.053 s。 2.2.3管系固有频率计算结论 根据CAESAR II计算结果可知,改造后的管
系在满足一、二次应力的前提下,其固有频率为 18.696 Hz,则管系的共振区为14.957—22.435 Hz,而压缩机的激振频率为1O Hz,远离管系共振
区。因此,管系不会产生机械共振。
3结果判断与实际运行情况
通过对1 二氧化碳压缩机管道共振管长和
管系固有频率计算分析可知,改造后的管系既避
免了管内气体发生气柱共振,又避免了管道发生 机械共振,其管道布置满足防振要求,管系与压缩
机的运行是安全的。 改造后的实际运行情况也证明,管系与压缩
机运行安全,符合计算结果。
4总结
压缩机及管线防振问题是工程设计过程中经 常遇到和必须解决的问题。管道共振管长和管系
固有频率的计算结果是压缩机及管线施工图设计 的依据。对于复杂管系,固有频率分析一般应使 用计算机程序来完成,这些程序大多运用有限元 方法编制,并且采用梁单元模型。在静力分析中,
对于直管段若无特殊考虑,没有必要通过一单元 细分来提高分析精度。对于固有频率分析,则必
须进行细分,避免计算中丢掉某些振型和频率,并 且一般情况下单元长度不应大于管道公称直径的
10倍。
参考文献
[1]唐永进.压力管道应力分析[M].北京:中国石化出版社, 2003. [2 1 CA ESAR II USER’S MANUL.
(收稿日期2011—04—14)
农业部推进科学施肥意见正式发布
2012年1月5日,《农业部关于深入推进科学施肥工作的意见》正式发布。意见指出,到2015年,
全国农业科学施肥技术水平有较大的提高,技术普及及范围进一步扩大,施肥结构得到改善,施肥方式
得到改进,化肥用量增长态势基本得到控制,化肥对粮食增产的贡献率基本稳定。意见深入推进科学施 肥的工作重点是:深入开展测土配方施肥,积极拓展测土配方施肥范围,大力推进配方肥产业化,开展专
业化、社会化农化服务。积极改进施肥的方式方法,集成配套科学施肥技术,大力推广化肥机械深施技 术和水肥一体化技术。意见还提出,大力开发利用有机肥资源,一是开发利用有机肥,二是加大秸杆还
田力度,三是适当发展绿肥。加强科学施肥技术的研究与推广应用,包括加强应用技术研究、技术集成
创新、示范推广新型肥料等。