第31卷第12期（2012.12）〈生产管理〉
油气水管道振动测试分析及对策
汪征宇
吐哈油田技术监测中心
摘要：研究油气水管道振动就是建立合理的流体波动数学模型，在设备运转情况下，实时测量管道内的静态和动态压力波形，准确地进行流体压力脉动的预测，掌握控制管内流体压力脉动的规律，用模态分析理论对试验导纳函数进行曲线拟合，识别出管道结构的模态参数。自开展油气水管道剧烈振动研究以来，吐哈油田先后完成管道测试12台次，进行模态试验6次，尤其在鄯善4#气举压缩机入口管道振动、鄯善新增注水泵出口管道振动、温米4#压缩机二级入口洗涤罐振动测试分析和对策实施中取得了良好效果。
关键词：油气；管道振动；测试；模态doi:10.3969/j.issn.1006-66.2012.12.037
田先后完成管道测试12台次，进行模态试验6次，尤其在鄯善4#气举压缩机入口管道振动、鄯善新增注水泵出口管道振动、温米4#压缩机二级入口洗涤罐振动测试分析和对策实施中取得了良好效果。２．１鄯善４＃气举压缩机一级进口管线振动2.1.1测试数据
（1）固有频率测试。通过测试，所得前4阶固有频率相同。1～4阶分别是：16.8、26.3、51.7、87.2Hz，其中1阶固有频率16.8Hz所对应的转速是1008r/min。
（2）振型测试。管线与洗涤罐组成的Π形系统在940r/min时的振型。2.1.2原因分析
压缩机转速为940r/min，对应转动频率为15.7Hz，管道系统固有频率是16.8Hz，当激励频率位于0.8～1.2倍固有频率附近时容易形成共振。因此，管线振动是共振引起的。2.1.3解决措施及效果
通过测试得知管线的固有频率具体在哪个转速范围，从振型图上看，横向增加支撑可以有效抑制振动，但现场该位置横向无法找到支撑受力点，因此支架对抑制15Hz附近的振动作用不明显，对于20Hz以上的振动还是起到了明显的抑制，但是现在只有基频的振幅大。由于支架上端与管线连接处仅靠4个顶丝给予管线约束，对于提高管线系统的固有频率有一些小的作用。现在支架与管线基本在做同步、振幅近似的振动。
提高共振频率的做法比较好的措施有两个：一是加固支架上端与管线的连接，顶丝架换用厚槽钢；二是在支架从地面算起2/3位置处横向增加一
１管道振动分析
管道、支架和相连设备构成了一个结构系统，在有激振力的情况下，这个系统就会产生振动。管道的激振力可来自系统自身或系统外部。研究油气水管道振动就是建立合理的流体波动数学模型，在设备运转情况下，实时测量管道内的静态和动态压力波形，准确地进行流体压力脉动的预测，掌握控制管内流体压力脉动的规律，用模态分析理论对试验导纳函数进行曲线拟合，识别出管道结构的模态参数，从而确定管道结构固有频率、振型，找出引起管道振动的激励源，最终提出消减或控制管道振动实施对策。
１．１模态试验与参数识别
模态试验及模态参数的识别是用试验的方法，在管道结构上施加某种激励，利用测量的激励和响应数据，采用各种数据处理和数学分析方法，获得表征结构动力特性的模态参数。识别参数包括：固有频率、模态阻尼、模态振型、模态质量及模态刚度。１．２测试分析系统
目前用于管道振动测试分析的系统是丹麦B&K公司的PULSE系统，PULSE系统平台包括硬件、软件两部分。硬件部分为3560B型智能数据采集前端、加速度传感器及力锤等；可以测量时域、频域、频响函数及相干函数，可以进行模态测试分析、ODS测试、受迫响应模拟（FRS）及模态参数识别，显示运行条件下的变形状态、模态振型及工程数据所定义的振型，并进行模拟动画显示。
２管线振动测试
自开展油气水管道剧烈振动研究以来，吐哈油-72-
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处与管线的连接。较好的方法是Х形的连接。将机组的转速降到920r/min，即在15.3Hz附近，与管线的1阶固有频率16.8Hz有一点差距，管线的振动已基本正常。
２．２鄯善新增注水管线振动2.2.1测试数据
（1）机组参数。功率：280kW；转速：260r/min；缸数：5个；排压：25MPa。
（2）故障特征。注清水时，注水泵出口管线振动剧烈；注污水时，出口管线振幅在正常范围之内。有时开泵时，泵出口管线振动大，随着温度的变化，管线振幅变小。经测试管线的振动频率是21.6Hz，振幅最大是98.1mm/s，是标准振幅11.2mm/s的8.76倍。
（3）管线的固有频率测试。为减小干扰，在1#、2#、3#泵均停泵的状态下，对1#泵的出口管线用力锤进行激励，用单个加速度传感器测量响应，测出管线的频率响应函数，得到管线的前2阶固有频率，分别是22.6、26.8Hz。2.2.2原因分析
分析注水泵的振动特征和测试数据，采用通常的振动理论和传统的分析方法都很难解释注水泵的振动表象，无法得到满意的结果。经过反复测试和实验，得到的基本认识是：注水管线存在压力脉动，这是柱塞泵的特性。而这种压力脉动在注水管线中以压力波的形式向前传播。这是一种疏密相间的纵波，它有自己的传播速度、波长和频率，频率是21.6Hz。
既然压力脉动是以波的形式在管道中向前传播，必然要遵守波的反射定律。当压力波向前传播过程中遇到歧管、异径管及阀门等都会发生发射。如果压力波发生源处与反射点之间的距离减去半波长整数倍后的余数约为1/2半波长，就会发生压力脉动共振现象。2.2.3解决措施及效果
（1）在管线中装置异径短管，使压力波发生源一侧管路的压力脉动振幅分布平移，改变发生压力脉动共振的条件。
（2）在管线振幅最大处增加支撑，提高管线的1阶固有频率。
２．３温米４压缩机二级入口洗涤灌振动
＃
用气缸，工作转速为300r/min。
机组转速300r/min，则压缩机基频为5Hz，2个一级双作用缸，而实测振动主导频率为10Hz，因此振动激励源是气流脉动力。
洗涤灌位于一级排气和空冷器之后，二级入口缓冲罐之前。在一级排气管线方向上振动剧烈，而在二级进气方向上振幅很低，说明洗涤灌振动是由一级排气气流脉动产生的。
一级排气与洗涤罐的接口在罐偏上方的位置，以灌底座为固支点产生较大的力矩。
洗涤灌下方3个支腿由于长期受较大交变力，与基础连接部位均已出现缝隙，使其刚度进一步降低。
2.3.2解决措施及效果
（1）降低气流脉动力。由于没有测量口，气流脉动幅度是否在正常范围之内无法测定；如计算，则需要专门的计算机程序，也较复杂。但是，可以采取在洗涤灌一级进口法兰处加一个孔板的办法，使气流进入洗涤灌后不形成反射条件，把压力驻波变成行波，可使气流脉动降低约50%。孔板内径为0.43～0.50倍的管线内径，内孔不许倒角，厚度3～5mm，材质与管线一致。
（2）增加支座刚度。采用的三支腿支座太过单薄，刚度偏低，并且与基础之间已经出现缝隙。如果受力一定，而动刚度低，则振幅增大。如果底座松动，则洗涤灌顶端将产生放大效应，振幅比例增大。因此，把目前的三支腿支座更换为环形支座刚度将增加许多，连接螺栓需预埋在基础内。这些措施均需要与压力容器设计部门进行协商。
３应用效果及认识
开展油气水管道剧烈振动测试研究以来，已取得了明显的效果，一是对PULSE系统进行了消化吸收，提高了技术人员的软件使用及操作和分析能力，对管道振动模态进行了实测和分析，基本掌握了振动模态理论，提出了改善管道振动的思路、方法和控制策略；二是有效解决了鄯善4#气举压缩机一级进气管线、鄯善新增7台5ZB—20/43注水管线和温米4＃原料气压缩机二级进气管线强烈振动故障；三是创造了良好的经济效益和社会效益。由于管道系统运行可靠性增加，停机次数和运行风险降低，系统运行效率得以提高，同时该技术的成功应用也进一得到了用户的认可。
（栏目主持
焦晓梅）
2.3.1测试数据及原因分析
通过测试，洗涤罐系统结构的1～3阶固有频率分别是18.7、27.6、54.7Hz，4测点X方向最大
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振动幅值为40.6mm/s，频率10Hz。压缩机为双作
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