三甘醇脱水装置再生模块减振技术研究与应用

王 辉 王秀娟 陈 迪 汤晓勇 张凯迪 张云清

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 华中科技大学机械科学与工程学院, 湖北 武汉 430074

0 前言

随着国民经济的快速发展,石油、化工、电力等行业也得到了蓬勃发展,需要很多大型设备来满足其生产需求[1-2]。这些设备往往结构复杂、体型巨大、造价昂贵,因而其运输与运行过程中的振动问题不容忽视。大型橇装设备主要以公路运输的方式运抵安装现场,在颠簸路面状态下,来自路面的随机激励极易引起橇装设备部件的共振,在管路、设备连接处产生较大变形,甚至造成设备的损坏[3-4]。除了路面随机激励之外,橇装设备内部存在压缩机、往复泵[5]等往复运动部件,在实际工作中其周期性往复运动使流体介质产生周期性压力脉动,进而引起管路非简谐周期激振,对管路及其附属设备也会产生共振影响,造成复杂的流固耦合问题[6]。

本文以某天然气三甘醇(以下简称TEG)脱水装置再生模块为研究对象,针对路面随机激励和往复泵往复振动激励对橇装整体稳定性的影响进行研究。建立了橇装有限元模型,在过坑、制动、侧倾三种典型工况和往复振动交变载荷激励下,研究结构优化对设备振动特性的影响;在典型路面行驶工况下,以局部变形为指标,通过运输系统刚柔耦合仿真验证结构优化对橇装整体稳定性的影响。

1 振动模型建立

1.1 有限元模型

随着计算机仿真技术的发展,有限元技术越来越成熟,对复杂结构的振动分析也越来越精确[7]。为模拟橇装设备的真实振动及受力情况,在有限元软件Hypermesh中建立TEG脱水装置再生模块有限元模型,见图1。网格单元总计1 101 614,赋予适当的密度参数、杨氏模量,总质量达28.7 t。

图1 TEG脱水装置再生模块有限元模型图Fig.1 Finite element model of regeneration module ofTEG dewatering unit

1.2 往复泵振动数学模型

TEG脱水装置所用的往复泵为三柱塞双隔膜往复泵,额定流量2.9 m3/h,出口压力6.8 MPa,往复次数180次/min,行程长度95 mm。该泵采用三缸单作用工作方式,三液压缸相位差120°,按照1—2—3—1顺序依次工作。

管路系统不平衡激振力通过往复泵的流量脉动实现[8]。单缸单作用泵流量脉动呈正弦特征分布见图2-a)。而三缸单作用泵运行时,活塞相位相差120°,交替吸入与排出液体,其瞬时流量也呈现脉动情况,但脉动程度相较于单缸有所改善，见图2-b)。

a)单缸单作用泵流量曲线a)Single cylinder single acting pump flow curve

管液的压力脉动则会在管道弯头处产生不平衡激振力[9-11],采用分离变数法推导出管路压力脉动pΔ为:

(1)

式中：pΔ(x,t)为x位置t时刻的压力脉动,Pa;n为阶数;c为声速,m/s;p为进出口压力，Pa;l为管道总长,m;x为距计算起点的距离,m;ωn为激振圆频率,(°)/s;u为初始速度,m/s。

往复泵在管道中产生的压力脉动在介质中传播,将在管系中的每个弯头处产生谐波载荷[12],弯管两端压力F1、F2合力表示为R,见图3。

图3 等截面弯管受力示意图Fig.3 Iso-sectional bend force diagram

弯管处所受合力为:

(2)

产生的交变压力ΔR为:

(3)

式中:di为管道内径，m;β为弯管角度，(°);p0为平均压力,Pa;Δp为压力脉动pΔ(x,t)的最大幅值,Pa;S为管道截面面积，m2。

管道弯头受力点见图4,针对往复泵的出口管道及弯头受力处,计算各弯头的压力脉动变化幅值及交变压力载荷变化幅值见表1。

图4 管道弯头受力点图Fig.4 Pipe bend force point

1.3 橇装运输系统刚柔耦合模型

运输车辆行驶过程中的振动来源包括:不平路面激振、发动机振动、传动系统振动和车轮的不平衡。其中,不平路面激振是主要因素。振动经过轮胎、悬架、车架、座椅等车辆子系统,传递到车身和驾驶员上。因此,建立准确的随机不平路面激励模型,对于研究车辆及运载橇装的振动特性至关重要[13]。

首先对Hypermesh橇装有限元模型进行柔性化处理,并在动力学软件ADAMS中建立运输车辆与橇装设备的刚柔耦合模型,以模拟TEG脱水装置再生模块的运输系统,见图5。重型平板卡车自重15 t,采用8×2前置后驱布置。平板拖车与橇装柔性体模型之间刚性连接,根据橇装模型质量分布,将固定点均匀布置在橇装底座槽钢上。

图5 运输系统刚柔耦合模型图Fig.5 Rigid-flexible coupling model of transportation system

在整车行驶仿真分析中,随机不平路面模型作为激励源将不同幅值、频率的位移激励通过轮胎、悬架传递到车身。路面按照不平度分级标准可以分成8级,中国大部分公路路面不平度主要为A、B、C、D、E级,而F、G、H级极差路面占比较少,A级路面的路面平整且故障概率极低,本文主要考虑对橇装设备在运输过程中常见且易发生故障的B、C、D、E级四种随机不平路面及三角凸块路面进行模拟，路面不平度分级标准见表2，三角凸块尺寸见图6，其中凸块宽度L根据车身尺寸设置。

表2 路面不平度分级标准表

图6 三角凸块的尺寸Fig.6 Dimensions of triangular convex blocks

2 有限元仿真与结构优化

在有限元软件Hypermesh中建立TEG脱水装置再生模块的有限元模型,分别对其进行模态分析、典型运输工况受力分析以及交变载荷分析。

2.1 模态分析

在橇装有限元模型底座设置固定点,将固定点6个自由度全部约束[14-15],见图7。对橇装设备进行0～30 Hz 约束模态分析,主要模态结果见图8。橇装设备主要共振频率为3.52 Hz、6.69 Hz、9.64 Hz、17.98 Hz、27.31 Hz,当受到激励时,相应部位将产生剧烈共振。

图7 橇装约束位置示意图Fig.7 Schematic diagram of skid mounted constraint position

a)3.52 Hz

模态仿真结果表明：管线1、3振动相对较大，对管路上的螺栓连接影响较大；管线2、4刚度明显偏低，易产生较大振动。橇装设备模态分析结果振动较大位置示意图见图9。

图9 橇装设备模态分析结果振动较大位置示意图Fig.9 Schematic diagram of modal analysis results ofskid-mounted equipment with large vibration position

2.2 典型运输工况受力分析

针对橇装设备运输工况,在有限元环境下对橇装模型分别施加垂向、纵向及侧向加速度,对运输中的过坑、制动、侧倾三种典型工况进行模拟[7],具体参数见表3。仿真结果见图10～12，其中位置1～7处为三种典型工况下应力较大的位置。

表3 有限元仿真参数设置表

图10 过坑工况应力分布图Fig.10 Stress distribution diagram for over-pit conditions

图11 制动工况应力分布图Fig.11 Stress distribution diagram for braking conditions

图12 侧倾工况应力分布图Fig.12 Stress distribution diagram for tilting condition

根据三种典型工况应力分布结果可知:过坑工况下,应力集中主要出现在位置1～6处;制动工况下,位置1有明显应力集中,位置2、4、5、7处应力较大;侧倾工况下,位置1处有明显的应力集中。

2.3 交变载荷分析

在橇装管道各弯头处施加交变载荷(参数见表1),以模拟TEG脱水装置往复泵往复振动对橇装整体结构稳定性的影响,结果见图13～14。

图13 交变载荷应变分布图Fig.13 Distribution diagram of alternating load strain

图14 交变载荷应力分布图Fig.14 Distribution diagram of alternating load stress

仿真结果表明:往复泵的安全阀和缓冲器等处产生较大应变量,最大应变出现在安全阀顶端,为0.883 mm;最大应力出现在泵出口管线与泵体相交处,为85.391 MPa,应力集中主要分布在各管线相交处,如往复泵的出口管线,为管线局部共振所致。

3 管道支撑方案设计与验证

3.1 管道支撑方案设计

有限元分析结果表明,在典型工况及往复泵交变载荷激励作用下,TEG脱水装置再生模块管系存在局部共振和应力集中现象。为了保证橇装管道在运输和运作过程中不受损坏,相应的减振措施必不可少[16-17]。目前,大型天然气橇装设备管路减振方法有多种,包括安装阻尼器、挠性管和弯头、吸振材料、脉动压力衰减器、T型支撑等[18-20]。其中,增加T型支撑能直接有效地提高管系刚度,成本低、可靠性高,减振效果明显。根据有限元分析结果,在管道a～g及往复泵出口管道h、i等薄弱处增加T型支撑,以提高其结构强度,见图15～16。

图15 管道支撑位置示意图Fig.15 Diagram of pipeline support position

图16 往复泵结构支撑方案图Fig.16 Schematic diagram of reciprocating pumpstructure support scheme

3.2 有限元分析与验证

3.2.1 典型工况分析

为了验证管道支撑对橇装减振的有效性,对橇装支撑模型进行过坑、制动及侧倾工况的有限元分析,对比改进前后橇装管道的局部应力分布,见表4,其中位置1～7为三种典型工况下应力较大的位置。

表4 脉冲激励易振管线最大应力结果对比表

对比支撑前后的管道应力分布可知,与原方案相比,增加T型支撑后管道的局部应力明显减小,应力集中处的应力降至材料许用应力以下,有效改善了管道振动对管道薄弱处和连接处的影响。

3.2.2 交变载荷分析

为了验证支撑结构对往复泵振动的减振效果,改进前后的模型在交变载荷激励下进行振动分析,对比橇装管线的应变、应力分布,进行支撑方案可行性验证,见图17～18。

图17 管路应变分布图Fig.17 Strain distribution diagram of pipeline

图18 管路应力分布图Fig.18 Stress distribution diagram of pipeline

应变、应力分布结果表明,改进支撑后的模型安全阀顶端的最大应变量从原来的0.883 mm变成了0.693 mm,降低了21.5%。最大应力出现在泵出口管道与泵体相交处,从原来的85.391 MPa变成了71.585 MPa,降低了16.2%。因此,对往复泵管道增加T型支撑可以使其模态频率偏离激励频率,减小往复泵运作时所造成的设备振动。

3.3 运输系统刚柔耦合模型仿真验证

为了模拟与验证真实道路运输工况下的管路支撑方案对橇装整体振动特性的影响,在ADAMS中建立了平板拖车与橇装设备的刚柔耦合模型进行仿真验证。分别采用B、C、D、E、凸块等五种路面模拟实际运输路面,设置直线、制动、转弯等三种工况进行模拟验证,见表5。监测管道、管道与阀门接口、管道支撑等处,以局部变形作为评价指标,对比管道支撑方案对橇装设备的减振效果,监测位置S1～S9见图19，局部变形对比结果见表6。

表5 仿真工况参数表

图19 橇装模型关键监测位置图Fig.19 Key monitoring locations diagram for skid mounted models

表6 结构优化前后关键位置的最大局部变形对比表

局部变形是评价不同工况下橇装关键部位发生振动与形变的主要指标,对比可知,在大多数工况下,橇装设备增加了管道支撑后,管道、管道与阀门接口、管道支撑处局部位移形变都明显减小,橇装结构强度得到明显改善,法兰及其紧固件处更加牢固可靠,减小了局部变形对橇装设备的影响,对于运输过程中橇装设备的局部振动具有明显的抑制作用,大大降低了设备管系损坏的可能性。

4 结论

1)研究了典型运输工况及往复泵往复振动对TEG脱水装置设备结构稳定性的影响,首先将典型运输工况加速度施加到TEG脱水装置再生模块有限元模型中,模拟路面激励下橇装管道的振动响应;将往复泵往复振动导致的不平衡激振力作为交变载荷,作用在橇装有限元模型上,分析交变载荷对设备管道及其附属部件的影响;设计管道支撑方案来降低局部应力集中与位移变形。

2)建立橇装运输系统刚柔耦合模型,分别在不同等级路面匀速直线、凸块、制动、转弯工况下进行运输过程仿真,对比支撑前后橇装管系关键位置的局部最大局部变形,证明在运输过程中,支撑方案对橇装设备的管道振动具有明显的抑制作用,大大降低了设备损坏的可能性。