基于ANSYS的往复式压缩机管线振动的减振分析

汪 玉，王茂廷，宋 升

（1. 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001； 2. 洛阳智达石油化工工程公司， 河南 洛阳 471000）

基于ANSYS的往复式压缩机管线振动的减振分析

汪 玉1，王茂廷1，宋 升2

（1. 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001； 2. 洛阳智达石油化工工程公司， 河南 洛阳 471000）

管线的机械共振是往复式压缩机管线振动的原因之一。通过介绍有限元软件ANSYS在管道建模中的应用，利用有限元软件ANSYS对振动管线进行建模分析，得出管线结构近似固有频率。通过改变配管方式、支撑方式等改变管道结构固有频率，消除共振，从而减小振动。

管线；振动；有限元；减振

管线振动是往复式压缩机运行中常见的问题。管线振动过大不仅会带来经济损失，甚至会发生事故，造成人身危害。研究往复式压缩机管道振动，减小振动具有重大意义。

管道的结构共振是管线振动的一个原因。管系的支撑方式、刚度、质量分布都影响着管系的固有结构，影响着管系的固有频率。工程上常把（0.8～1.2）fx的频率范围作为激发频率共振区，当管系的机械固有频率落在共振区范围为内，就会发生结构共振，影响生产安全［1-3］。

利用ANSYS有限元软件中的PIPE单元对管道建模，进行模态分析，计算出管线前五阶固有频率，与往复式压缩机的激振力频率进行比较，改善管线系统固有频率，使固有频率避开激振力频率，从而减小振动。

1 ANSYS在管线振动建模中的应用简介

有限元计算分析软件ANSYS［4-6］具有较丰富的管道单元库。有弹性直管单元PIPE16，弹性三通管单元PIPE17，塑性直管单元PIPE20，浸入式管单元PIPE59，弹性弯 管单元PIPE18等。此外，还有三通TEE、法兰FLANGE、异径管REDUCE和阀VALVE等常用管道建模元件，适用于各种实际中的复杂管线的分析。下面介绍几个常用的单元。

1.1 PIPE16-弹性直管单元

图1 PIPE16弹性直管单元Fig.1 PIPE16 elastic straight pipe

PIPE 16是一种单轴单元，具有拉压、扭转、和弯曲性能。 该单元在两个结点有6个自由度：沿节点X,Y,Z方向的平移和绕结点X,Y,Z轴的旋转。该单元基于三维梁单元(BEAM4)，包含了根据对称性和标准管几何尺寸进行的简化。单元的几何形状、节点位置和单元坐标系如图1所示。

1.2 PIPE18弹性弯管单元

PIPE18 是一个环向轴单元，可以承受拉伸、压缩、扭转和弯曲载荷。每个节点有6个自由度：沿节点X,Y,Z方向的平移和绕结点X,Y,Z轴的转动，单元的几何形状、节点位置和单元坐标系如图2所示。单元有两个节点为端点，第三个节点用来确定单元所处的平面。

图2 PIPE18弹性弯管单元Fig.2 PIPE18 elastic curved pipe

2 计算实例

某炼厂1台往复式压缩机，双作用气缸，气缸直径300 mm，主轴转速330 r/min，介质气体温度40 ℃，压力8 MPa。管子规格为Φ90 mm×4 mm。

2.1 管线的分析与有限元模型的建立

气体从气液分离罐经过进气总管进入压缩机的进气分支管路，在分支管路内又分成两路，每一路都经过进气缓冲罐进入压缩机双作用气缸。利用ANSYS建模，管道材料参数E=210 GPa，μ=0.27，ρ=7 830㎏/m3。选择坐标系原点为气缸分离罐出口，即为BRANCH起点，选择PIPE16单元，应用一系列RUN命令定义直管段，在管道两个或多个单元之间的节点上插入弯管BEND,三通TEE。选择Block Lanczos进行模态分析，对管道进行约束，得出管线的前五阶固有频率。

图3 初始管线图Fig.3 Initial pipelines

2.2 管道激发主频率的计算

激发频率(Hz)为：

式中：

m —表示压缩机气缸作用方式的一个数，当单作用时，m =l；当双作用时，m =2；

n —表示压缩机曲轴转速,r/min。振区按(0.8～1.2)fx计算为：8.88～13.32 Hz。

2.3 初始管道固有频率的计算

初始管线的约束如图4所示（蝴蝶结代表全固定约束,下同）。

图4 初始管线约束图Fig.4 Initial constraints of pipelines

表1 初始管线的固有频率值Table 1 Natural frequency of initial pipelines Hz

图3为初始管道配置图，其固有频率值见表1。

从分析结果可以看出此时气柱的二阶固有频率在激振力共振频率范围内，管线会产生剧烈振动，因此，在此基础上进行改善。

3 减振措施及结果

3.1 改变支架位置，增加支架数量，可以增加管道刚度

图5 管线约束优化图Fig.5 Optimization of pipeline constraints

图5 中管线在原来基础上，只适当的增加了支架的数量，使支架分布相对均匀，缩短支架之间的跨度，并使支架尽量靠近弯头和三通，从而增强了管道刚度，大大增大了管线系统的固有频率。

改变约束后的固有频率值见表2。

表2 管线约束优化后的固有频率值Table 2 Natural frequency of pipelines with optimized constraints Hz

3.2 改变管线的配管形式，同样可以改变气柱的固有频率(图6)

图6 配管优化约束图Fig.6 Optimization of pipeline constraints

管线的配管方式改变后，其固有频率值见表3。

此时，在原来配管的基础上改变了压缩机入口的配管方式，增加了一个支架，管线的固有频率就增大了许多。但由于支架的跨距比较大，且不均匀，管线的固有频率没有图5中管线的固有频率大。

表3 管线配管方式优化后的固有频率值/HzTable 3 Natural frequency of optimized pipelines

4 结束语

通过以上分析可以看出，减小机械振动的方法是可行的。一种方法是改变配管方式，尽量减少不必要的弯头，继而增大管道的刚度，使其避开激振力的固有频率。其次，合理配置支架，使弯头，三通，阀组等需要承重处尽量安装支架，安装足够的支架，支架之间的跨距不应过大，这样就可以增大固有频率，减小振动。

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Analysis on the Vibration Reduction of Pipelines Connected With the Reciprocating Compressor Based on ANSYS

WANG Yu1，WANG Mao-ting1，SONG Sheng2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Luoyang Zhida Petrochemcal Engineering Co.,Ltd., Henan Luoyang 471000，China）

The mechanical resonance of pipeline is one of the reasons to cause the compressor piping vibration. In this paper, application of the finite element software ANSYS in modeling piping system was introduced, then ANSYS was used to model and analyze the vibration of pipeline, approximate inherent frequency of the pipe system was obtained. The resonance was eliminated and the vibration was reduced by changing the design of piping and supporting.

Pipeline; Vibration; Finite element; Vibration reduction

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0383-03

2014-09-21

汪玉（1990-），女，河南周口人，研究方向：往复式压缩机出口管线振动及减振措施。E-mail：wy38756151@163.com。