ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Машиностроение и машиноведение
Машины, агрегаты и процессы
Головина Н.Я., кандидат технических наук, доцент
Кривошеева С.Я., кандидат технических наук, доцент
(Сургутский институт нефти и газа (филиал) Тюменского государственного нефтегазового университета)
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВИБРАЦИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ ГИБКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ
Рассмотрена целесообразность использования гибких металлических трубопроводов в системах агрегатов нефтегазодобывающей промышленности. Обозначены основные проблемы, возникающие при работе ГМТ. Исследовано влияющие на собственные колебания трубопроводов различных факторов. Определены условия, необходимые для предотвращения резонансных явлений, возникающих при работе ГПА.
Ключевые слова: гибкие металлические трубопроводы, оплетка гофрированной оболочки, собственная частота колебаний, резонансные явления, формы колебаний.
RESEARCH OF VARIOUS FACTORS INFLUENCING THE VIBRATION DURABILITY OF FLEXIBLE METAL PIPELINES
Purpose offlexible metal pipelines and expediency of their use in units of compressor stations is considered. The main problems resulting from work of GMT are designated. The factors influencing own fluctuations ofpipelines are investigated. The conditions necessary for prevention of the resonant phenomena arising during the work of GPA are defined.
Keywords: flexible metal pipelines, braid of a corrugated cover, own frequency offluctuations, resonant phenomena, forms of fluctuations.
Гибкие металлические трубопроводы (ГМТ) применяются в различных агрегатах нефтегазодобывающей промышленности, могут использоваться в качестве приводов газоперекачивающих агрегатов (ГПА) компрессорных станций /1/. Использование ГМТ обусловлено сложностью условий монтажа, а также их способностью уменьшать влияние вибрации, которая возникает при работе агрегатов. Необходимость учитывать зависимость работы агрегата от соотношения частотных характеристик ГМТ и частотных характеристик изделия обусловлено тем, что при работе ГПА все его элементы испытывают вибрационные нагрузки. При совпадении частот могут произойти резонансные явления, что повлечет за собой разрушение трубопровода и вынужденную остановку агрегата. Чтобы не допустить совпадение частот применяют различные способы, например, изменяется жесткость и масса изделия, меняется расположение или количество опор и пр.
В ГПА находят применение два вида ГМТ, это гибкий металлический рукав (ГМР) и сильфонные компенсаторы (СК) /1/. ГМР имеет сравнительно большую длину и небольшой диаметр. Металлический рукав применяется там, где присутствуют преимущественно поперечные колебания и рассеяние энергии происходит в значительной степени за счет трения
нитей оплетки. Сильфонные компенсаторы (СК) имеют небольшую длину и большой диаметр, оплетка отсутствует. СК используют в тех местах агрегата, где его элементы испытывают продольные колебания /1/. В процессе колебаний участвует только сама гофрированная оболочка сильфона, оплетка не участвует в процессе рассеяния энергии и поэтому продольные колебания являются наиболее опасными и чаще всего являются причиной выхода из строя ГПА.
Чтобы предотвратить резонансные явления, возникающие при работе ГПА необходимо исследовать и рассмотреть совокупность факторов, которые могут влиять на частоту колебаний ГМТ и учитывать их при проектировании.
Проведен эксперимент, в ходе которого исследовались частотные характеристики гофрированных оболочек, испытывающих продольные колебания. В качестве экспериментальных образцов использовались гофры с разным количеством слоев (гг =1, 2, 3), разного диаметра (ё = 40, 70, 90 мм), а также с разным количеством гофр (пг = 11, 22, 33).
Образец закреплялся на электродинамическом стенде и вводился в резонанс. На пике резонанса контролировалась частота колебаний образца. Испытания проводились по первой и третьей форме колебаний. Эпюры деформаций гофрированных оболочек при первой и третьей формах продольных колебаний показаны на рис. 1.
Авторами работы /2/ предложена формула для определения коэффициента влияния внутреннего давления на собственные частотные характеристики гофрированных оболочек.
КР = 1 + °-0275ёГ (1)
ПгРраб
Где: р - внутреннее давление воздуха в гофрированной оболочке; Рраб.- максимально допустимое рабочее давление.
Проводилось исследование того, как на частоту колебаний гофрированной оболочки влияет форма колебаний и количество слоев. По результатам, полученным в ходе экспериментов, были построены графики, приведенные на рис.2. График, представленный на рис.2а показывает, что в многослойных оболочках с увеличением давления увеличиваются собственные частоты колебаний, при уменьшении диаметра оболочки собственная частота выше. Если оболочка имеет один слой, собственная частота не зависит от давления.
График, представленный на рис.2б показывает, что в оболочках одного и того же диаметра при увеличении давления собственная частота увеличивается с увеличением количества слоев. Это происходит за счет трения между слоями, собственная частота растет по нелинейному закону.
растяжение
+
перемещение
/г =шгц
растяжение
/з = 557Гц
сжатие
+
Рис. 1. Эпюры деформаций гофрированной оболочки при первой и третьей формах колебаний
ё = 70, пг =2, Ж = 10 м/сек О - первая форма колебаний ( = 1); □ - третья форма колебаний ( = 3).
= 2, ё =40 4 = 2, ё =70
2Г= 2, ё = 90
Рис. 2. Графическая зависимость собственной частоты колебаний от числа слоев гофрированных
оболочек
2/1
1Д
л\
________-О
1 форма колебаний
3 форма колебаний
0,5
Рис. 3. Графическая зависимость собственной частоты от формы колебаний гофрированной оболочки (ё = 90, 2 г = 3)
Влияние формы колебаний на собственную частоту показано на рис.3. При увеличении давления собственная частота колебаний тем ниже, чем выше номер формы колебаний.
Выводы:
1. В многослойных оболочках с увеличением внутреннего давления растет собственная частота колебаний.
2. У гофрированных оболочек большего диаметра с увеличением внутреннего давления рост собственной частоты ниже, чем у оболочек меньшего диаметра.
3. Чем ниже номер формы колебаний, тем больше темп роста собственной частоты при увеличении внутреннего давления.
Проведенные исследования позволяют уточнить формулу (1):
К 0,0275ёр 1 ,--
КР =1 + , (2)
пгГ раб J
Формула (2) позволяет при проектировании гибких металлических рукавов учитывать различные факторы, влияющие на вибрационную прочность оболочек и предотвращать возникновение резонансных явлений, что является необходимым условием продления срока эксплуатации ГМТ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кривошеева С.Я. Разработка методики расчета околорезонансных колебаний гофрированных оболочек трубопроводов ГПА: диссертация канд. техн. наук - ТюмГНГУ, 2007.
2. Итбаев В.К., Сираев Э.З., Хусаинов Ф.С. Расчет колебаний и циклопрочности гибких трубопроводов. Рекомендации для разработчиков гибких трубопроводов, Уфа, Изд-во НИИД, 1981.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.