一、输气场站增压泵进出口管道振动分析的意义

管道系统的完整性对于输气场站的正常工作具有直接的影响，进出口管道的振动源头主要是由内部液体或者外部机械应力引起的，长时间持续的振动会对管道的焊缝、连接元件、螺栓等的稳定性造成影响，容易引起油气泄漏，甚至会引发爆炸事故。作为对管道安全性进行评估的有效手段，振动分析能够有效的对超出安全范围的管道进行及时的发现，从而采取有效的措施规避风险问题。

二、进出口管道振动的产生原因

输气场站的主要所用是对上一场站输送过来的天然气进行接收，通过增压泵实现压力的增加以后，将气体传送到下一场站，为天然气的运输提供所需的压力。输气场站进出口管道通过法兰实现与增压泵的连接，通常情况下，增压泵使用的压气机型号为PCL803，进口管道的直径为0.5m，压力值是8.71兆帕，出口管道的直径为0.609m，压力值为10.97兆帕。

在动力机组或者电机等设备为增压泵的运行提供动力时，与增压泵存在连接的设备所出现的振动会波及到管道，造成管道出现持续剧烈的振动，容易引发管道的损坏。增压泵的工作状态跟管道的振动之间具有紧密的关联，假如输气场站周围存在设备振动造成基础或者结构振动，然后经由支撑波及到管道，也会对管道的整体性能造成影响，所以增压泵进出口管道周边的环境跟其振动的出现存在密切的关联^[2]。

输气场站所运输的物质是由气油混合物或者天然气等各个介质构成的，其成分相对复杂，会在管道当中产生没有规律的运动。由内部物质造成的振动，主要包括脉动、湍流或者气体冲击造成的振动。同时，进出口管道受到内外部介质的影响，也会出现共振，引起管道振动的程度增加，从而对管道的运行时间造成影响。

三．进出口管道的固有频率以及模态分析

（一）模型构建和网格划分

首先要进行进出口管道几何模型的构建，由于模态分析针对的是结构自身所具有的属性，但是要考虑到法兰结构带来的影响，所以有必要针对法兰进行几何模型的构建。将进出口管道换分成四面体的网格，通过以间隙和曲率作为基础的网格加密手段，将最大的面网格尺寸设置为4cm，将网格设置为最为理想的质量，从而获得进口管道所具有的网格数量为248339个，节点的总数量为467846个，出口管道的网格和节点数量分别是289705和537405。在进出口管道的前后两端以及对管道进行固定的位置进行边界条件的设置。通过梁单元替代管道当中具有的法兰连接，其作用和具体效果跟螺栓具有一致性。

（二）模态结果分析

以上面建立的模型和设置的边界条件作为基础，可以获取到输气场站增压泵进出口管道的模态有限元分析结果可以发现，进出口形状变化最为严重的位置跟最大的量由于其固有频率的变化也会出现改变。在输气场站增压泵进出口管道固有频率不断提高时，形状变化最为严重的位置都出现在增压泵跟管道连接出差的法兰处，表明这一位置具有最为强烈的振动，非常容易出现裂缝而引发风险事故。

四、现场试验测试

在进出口管道各个界面位置依据一样的位置进行三向加速度传感器的布置，从右侧向左依次将安装位置命名为1-8号。在增压泵开始运行时，利用传感器对管道振动数据进行收集。

（一）进出口管道振动数据分析

从获取到的有关数据能够发现，在设备正常运行时，进口管道的振动相对稳定，加速度的数值介于30-40g之间。通过频率转换能够获取到进口管道振动频域的叠加图，把不同采集点位置的频域图进行叠加，能够获取到各个采集点位置在700、1280、1400HZ频段具有相同的贡献。对出口管道的振动频域叠加图进行分析能够看出，存在许多的尖峰，说明振动的来源相对复杂，是由200、285、700、1600HZ的不同振动源头互相叠加造成的。通过对两台压气机组运行过程中采集到的振动数据进行比较，可以发现，两者的进口管道具有非常接近的振动频率，频段分别是700、1280、1400HZ，然而数值存在差异^[4]。同时，两台压气机组出口管道频率的数值和组成差别较小，频段分别是200hz、285hz和400-500hz。

（二）进出口管道振动比较对比分析

针对进口管道振动数据进行分析可以发现，进口管道各个数据采集点的振动数值属于同一数量级，考虑到进口管道模态分析结果过以及裂缝出现的节点，可以确定管道振动主要的源头是机组端传导过来的机械应力。进口管道各个数据采集点的频率分布差别较小，管道振动的源头相同，主要的贡献频段分别是700hz、1280hz和1400hz，其他频率较少，表明管道振动主要是由于转动速度较为平稳的机械运动带来的。不同的压气机组在工况一致的情况下，其振动频率基本相同，表明管道的振动源头和结构没有区别。

针对出口管道振动数据进行分析可以发现，出口管道在各个数据采集点的振动数值存在很大的差别，振动的源头较为多样。不同的数据采集点的振动频率分布具有很大差异，说明振动是由多个振动源造成的。出口管道采集到的振动数据由于机械振动造成的频率段分别是700hz和1600hz，因为内部流动造成的振动频段分别是200hz和285hz。不同的增压泵机组在工况一样的情况下，振动频段是700hz和1600hz，因为内部流动造成的频段分别是200hz和285hz以及400-500hz，所以，压气机组不同的情况下，观察点采集到的振动源头相对复杂^[5]。

针对进出口管道模态分析计算获取到的结果以及各个采集点收集到的数据进行分析，造成进出口管道发生振动的主要原因是机械振动的传递。在进口和出口管道上，振动的构成存在很大的区别。进口管道是增压泵的输入端，气流到达这一位置时已经趋于稳定，所以增压泵负责传导的振动不会对进口管道造成很大的影响。出口管道中的气流经过加压其结构较为杂乱，由于压缩会形成脉动，并且气体流动速度较快，会对转弯位置产生冲击，所以各种振动会出现叠加作用于出口管道上，所以，增压泵的振动会对出口管道带来较大的影响。

参考文献：

[1] 王仕强, 陈文斌, 李超,等. 输气场站增压泵进出口管道振动分析[J]. 工程机械, 2019, 50(8):7.