用于原油管道減振的吸振器阻抗研究?

馬 育，滕漢東

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司生產(chǎn)運(yùn)行部 徐州，221008） （2.南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院 南京，210016）

引言

輸油管道擔(dān)負(fù)著原油輸運(yùn)任務(wù)，管道劇烈振動(dòng)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞，降低管道服役年限，甚至導(dǎo)致事故發(fā)生。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道振動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。Walker 等［1］對(duì)管道流固耦合振動(dòng)進(jìn)行了理論研究，建立了計(jì)算管道應(yīng)力波的四方程模型。Pontaza 等［2］研究了考慮流致振動(dòng)和渦激振動(dòng)的海底管道減振方案。Brenan 等［3］設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)減振裝置來(lái)控制管道的流致振動(dòng)。王建軍等［4］研究了管道流固耦合數(shù)值分析方法。張立翔等［5］利用頻譜分析方法解析了水錘誘發(fā)管道流固耦合振動(dòng)的頻譜特性。梁建術(shù)等［6］研究了輸液波紋管的各階工作模態(tài)。劉彬彬等［7］研制了一種動(dòng)力吸振器，進(jìn)行了飛機(jī)液壓管道的減振研究，該裝置對(duì)管道圓周具有減振作用，對(duì)管道長(zhǎng)度方向不具備減振效果。

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)所轄某油庫(kù)的P3 輸油泵進(jìn)出口管道經(jīng)過(guò)十幾年的運(yùn)行后出現(xiàn)了振動(dòng)較大的現(xiàn)象。該輸油泵為魯爾離心泵，通過(guò)聯(lián)軸器由西門子電機(jī)驅(qū)動(dòng)，包含殼體、轉(zhuǎn)軸、各類軸承、機(jī)械密封、流道和葉輪等部件［8-9］。P3 輸油泵進(jìn)出口管道以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，建立此系統(tǒng)的完整模型進(jìn)行減振分析，工作量非常大且復(fù)雜。

筆者利用阻抗耦合法和動(dòng)力吸振技術(shù)對(duì)該油庫(kù)P3 輸油泵進(jìn)出口管道的減振進(jìn)行了研究。筆者設(shè)計(jì)的原油管道減振裝置具有防、爆阻燃的優(yōu)點(diǎn)，在管道x，y，z3 個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)高效減振。

1 管道振動(dòng)測(cè)試及頻譜分析

動(dòng)力吸振技術(shù)針對(duì)特定的頻率具有減振效果，而管道能否使用該技術(shù)進(jìn)行減振，需要對(duì)管道振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。本研究首先實(shí)測(cè)了P3 泵進(jìn)出口管道的振動(dòng)加速度并進(jìn)行了頻譜分析。圖1 為管道振動(dòng)響應(yīng)及頻譜圖。

圖1 管道振動(dòng)響應(yīng)及頻譜圖Fig.1 Vibration response and spectrum of the pipeline

從圖1 可以看出，249.3 Hz 為管道振動(dòng)的主要頻率，P3 泵由西門子電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 985 r/min，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率約為49.75 Hz，這臺(tái)泵的葉輪上共有5 個(gè)葉片，電機(jī)實(shí)際工作時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)略有差異，249.3 Hz 正好對(duì)應(yīng)49.75 Hz 的5 倍頻，是5 個(gè)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)一周貢獻(xiàn)的激勵(lì)頻率。針對(duì)這種單一頻率振動(dòng)大的情況，采用動(dòng)力吸振技術(shù)進(jìn)行減振將非常有效。

2 動(dòng)力吸振阻抗分析

廣義阻抗是激勵(lì)力與響應(yīng)之比，表示外力驅(qū)動(dòng)物體所受到的阻力，即在相同激勵(lì)下，阻抗越大，響應(yīng)越?。?0-14］。因此，安裝減振器增加管道系統(tǒng)阻抗，可實(shí)現(xiàn)管道振動(dòng)的抑制［15-16］。

2.1 管道阻抗分析

安裝吸振器的管道阻抗耦合分析如圖2 所示。左側(cè)主結(jié)構(gòu)表示需減振的進(jìn)出口管道，中間是待安裝的吸振器，右側(cè)復(fù)合結(jié)構(gòu)表示已安裝了吸振器的管道振動(dòng)系統(tǒng)。其中：xp為管道的振動(dòng)位移；xt為吸振器安裝點(diǎn)處的振動(dòng)位移；xc為耦合系統(tǒng)的坐標(biāo)。

圖2 安裝吸振器的管道阻抗耦合分析Fig.2 Impedance coupling of the pipeline with dynamic absorber

穩(wěn)態(tài)振動(dòng)下，簡(jiǎn)諧力Fp作用于管道上，根據(jù)阻抗定義可得到頻域中的速度公式為

其中：Vp和分別為管道的振動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)點(diǎn)速度阻抗。

穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)，速度Vp和位移xp之間的關(guān)系式為Vp=iωxp。吸振器的速度阻抗為

其中：vt為吸振器安裝點(diǎn)處的振動(dòng)速度；Ft為管道作用在吸振器底座上的力，其與吸振器底座作用在管道上的力互為作用力和反作用力。

通過(guò)對(duì)耦合系統(tǒng)施加連續(xù)性和平衡條件，可以得到

耦合系統(tǒng)的速度阻抗和輸入輸出的關(guān)系有

吸振器速度阻抗可以借助儀器測(cè)量，也可以根據(jù)傳遞率計(jì)算。根據(jù)定義，傳遞率的表達(dá)式為

其中：x0為吸振器頂部質(zhì)量的位移。

管道作用在吸振器基座上的力Ft與吸振器頂部質(zhì)量m的加速度有以下關(guān)系

Ft和吸振器撓度之間的關(guān)系為

其中：K*為吸振器彈性元件的復(fù)動(dòng)剛度。

吸振器的傳遞率為

結(jié)合式（5）和（6）可以得到

吸振器在其安裝點(diǎn)處的速度阻抗為

2.2 動(dòng)力吸振器的位移阻抗設(shè)計(jì)

圖2 中間表示的是由質(zhì)量和彈簧組成的吸振器，彈簧左端和管道相連，右端和集中質(zhì)量連接。穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)，吸振器底座安裝點(diǎn)的速度Vt和位移xt之間的關(guān)系式為Vt=iωxt。

根據(jù)式（7）可知，管道對(duì)吸振器的作用力Ft=-mω2x0，根據(jù)吸振器位移阻抗定義，則可知吸振器速度阻抗為

結(jié)合式（7）和式（9），得到吸振器安裝點(diǎn)處位移阻抗的關(guān)系式為

根據(jù)管道對(duì)吸振器作用力和管道安裝點(diǎn)位移之間的關(guān)系，得到吸振器位移阻抗為

從式（14）可知，k=ω2m時(shí)，此處ω=2πf，f=249.3 Hz，吸振器位移阻抗因分母為0 而取得最大值，此時(shí)動(dòng)力吸振器發(fā)揮最大減振作用。據(jù)此分析，需調(diào)整吸振器模態(tài)共振頻率使其和外激勵(lì)頻率相等。

3 吸振器安裝在管道上減振效果

本研究設(shè)計(jì)了一款波紋管吸振器，其直徑為100 mm、高為90 mm，波紋管由5 層厚度為0.4 mm的不銹鋼管坯模壓而成，采用多層薄壁結(jié)構(gòu)以提供吸振所需剛度并提升吸振器疲勞壽命。將吸振器共振頻率調(diào)整到需減振的249.3 Hz，此時(shí)吸振器安裝在管道上能提供非常大的阻抗，可達(dá)到大幅減振的目的。圖3 為吸振器在P3 泵進(jìn)口管道上的安裝圖。

圖3 吸振器在P3 泵進(jìn)口管道上的安裝圖Fig.3 Bellows type dynamic absorber and its application for the pipeline of the P3 oil pump

如圖3 所示，波紋管吸振器借助白色抱箍安裝在P3 泵進(jìn)口管道上。白色抱箍為兩半圓形結(jié)構(gòu)，其上面有基座用于安裝吸振器，這些安裝基座的中心線既有沿著管道半徑方向的，也有沿著管道長(zhǎng)度方向的。吸振器安裝在這些基座上，可以實(shí)現(xiàn)管道圓周方向和長(zhǎng)度方向的減振，即實(shí)現(xiàn)管道三維減振。

為了衡量安裝吸振器后的減振效果，本研究測(cè)試了吸振器安裝前、后的P3 泵進(jìn)口管道相同測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)響應(yīng)。測(cè)試時(shí)，保持輸油泵工況和流量不變，將吸振器安裝前后的振動(dòng)值進(jìn)行比較。管道減振前、后的振動(dòng)響應(yīng)如圖4，5 所示。

圖4 管道減振前的振動(dòng)響應(yīng)Fig.4 The vibration response of the pipeline without dynamic absorber

圖5 管道減振后的振動(dòng)響應(yīng)Fig.5 The vibration response of the pipeline with dynamic absorber

可以看出，管道未安裝波紋管吸振器時(shí)，管道x，y，z3 個(gè)方向的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度峰值分別為100，100 和500 m/s2左右。其中：x方向?yàn)楣艿垒S向；y方向?yàn)樗酱怪庇趚的方向；z方向?yàn)榇怪钡孛嫦蛏系姆较?。管道安裝吸振器后，相同測(cè)點(diǎn)的三向振動(dòng)加速度峰值分別為20，30 和60 m/s2左右；2 種測(cè)試工況保持相同；減振后，振動(dòng)下降明顯。

計(jì)算圖4，5 中振動(dòng)響應(yīng)的均方根（root mean square，簡(jiǎn)稱RMS）值，進(jìn)一步驗(yàn)證波紋管吸振器對(duì)出口管道減振是否有效。將動(dòng)力吸振器安裝在出口管道上，測(cè)量了吸振器在安裝前后出口管道的振動(dòng)響應(yīng)。保持輸油泵的工況和流量不變，計(jì)算了出口管道減振前后的振動(dòng)響應(yīng)RMS 值。表1 為管道減振前后各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度測(cè)量值，可以看出減振效果都在64%以上。

表1 管道減振前后各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度測(cè)量值Tab.1 Comparisons between the vibration levels of pipeline with and without dynamic absorber

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)的動(dòng)力吸振器具有較好的減振效果，將其應(yīng)用于管道減振，減振效果實(shí)測(cè)達(dá)到64.9%以上。

2）設(shè)計(jì)的動(dòng)力吸振器可以實(shí)現(xiàn)管道在x，y，z3 個(gè)方向的減振，具有三維減振功能。吸振器使用不銹鋼材料，具有防爆、阻燃的優(yōu)點(diǎn)。

3）采用動(dòng)力吸振器解決管道振動(dòng)偏高的問(wèn)題，不需要拆解進(jìn)出口管道，只需要在外部加裝吸振器就能達(dá)到效果，避免管道停輸檢修，不會(huì)影響正常生產(chǎn)。