CC BY
19ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
УДК 534.13
Л.И. Соколинский12, e-mail: sokolinskiy@oeg.gazprom.ru; В.М. Кочергин1; М.Т. Кутателадзе2
1 АО «Газпром оргэнергогаз» (Москва, Россия).
2 ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
О возможных причинах повышенной вибрации термопреобразователей, установленных на измерительных трубопроводах газоизмерительных станций
Рассматриваются процессы возникновения повышенной вибрации термопреобразователей, установленных на линиях измерения расхода транспортируемого газа газоизмерительных станций Единой системы газоснабжения ПАО «Газпром». По результатам анализа виброобследований измерительных линий газоизмерительной станции было выявлено, что на корпусах термопреобразователей вибрация была максимальной по сравнению с вибрацией на других участках измерительных линий. Для повышенных уровней вибрации было характерно доминирование спектральной составляющей с частотой около 300 Гц, возникающей на некоторых режимах работы станции (по скорости газа в измерительных линиях). За счет возможности отключения/подключения в работу отдельных линий экспериментально был определен приблизительный диапазон скоростей потока газа в измерительном трубопроводе, для которого характерно это доминирование. В силу отсутствия явных источников колебаний потока газа с частотой около 300 Гц как вблизи станции (по потоку), так и на самой станции была рассмотрена гипотеза о возникновении автоколебаний на этой частоте за счет возбуждения колебаний защитного корпуса термопреобразователя на собственной частоте регулярными срывными вихрями, образующимися при обтекании потоком газа защитного корпуса (вихри Кармана). Экспериментально и расчетом в программном комплексе ANSYS установлено, что частота колебаний корпуса термопреобразователя с заделкой выводов проводников в месте его крепления на измерительной трубе близка к 300 Гц. Это подтвердило принятую гипотезу в части резонансного характера исследуемой вибрации. Расчеты частот вихрей Кармана, выполненные с учетом состава транспортируемого газа, режимных параметров работы газоизмерительной станции и геометрических параметров корпуса термопреобразователя, подтвердили вторую часть принятой гипотезы о возбуждении автоколебаний корпуса термопреобразователя из-за возникновения крупномасштабных срывных вихрей на корпусе с частотой около 300 Гц при рассматриваемых скоростях потока газа в измерительной линии. Выполненные натурные и расчетные исследования позволили предложить решение рассматриваемой проблемы за счет изменения собственной частоты корпуса термопреобразователя. Внедрение предложенного решения существенно увеличит зону рабочих скоростей газа в измерительных линиях, что при заданном расходе газа через газоизмерительную станцию позволит сократить число рабочих линий или увеличить допустимый расход газа через станцию.
Ключевые слова: вибрация, турбулентность, автоколебания, флаттер, дорожка Кармана, число Струхаля, резонанс, собственная частота, спектр, расход, скорость газа.
L.I. Sokolinskiy12, e-mail: sokolinskiy@oeg.gazprom.ru; V.M. Kochergin1; M.T. Kutateladze2
1 Gazprom orgenergogaz JSC (Moscow, Russia).
2 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)" (Moscow, Russia).
On the Possible Causes of Increased Vibration of Thermal Converters Installed in the Measuring Lines of Gas Metering Stations
The processes of increased vibration of thermal converters installed in the sensing lines of gas measuring stations of the Unified Gas Supply System of the Gazprom PJSC are considered. The vibration diagnostics of measuring lines of the gas metering station showed that vibration was maximum at the housing of thermal converters in comparison with its
78
№ 1-2 февраль 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
values at the other sections of metering lines. Increased vibration is observed in the spectra at the frequency of about 300 Hz. It is characteristic for a number of station operation modes with certain gas velocities in the measuring lines. An ability to connect and disconnect the individual lines into the operation gave a possibility to experimentally determine an approximate range of velocities of gas flow in the measuring line causing the increased vibrations. There are no apparent sources of gas flow vibrations with a frequency of about 300 Hz near the station (streamwise) and at the station. Therefore, the hypothesis of auto-vibrations with this frequency due to excitation of vibrations of protection housing of the thermal converter on its natural frequency by regular stall vortices formed in gas stream flowing around the protection housing (Karman vortices) is considered. It is found by experimental investigations and ANSYS computing that the vibration frequency of the thermal converter housing with termination of the leads of the conductors in the place of its attachment to the measuring tube is close to 300 Hz. It confirms the resonant behavior of vibrations considered in the suggested hypothesis. Calculations of the Karman vortices frequencies were made with consideration of chemical composition of transported gas, operating conditions of the gas metering station, and geometry of the thermal converter housing. It confirms the second thesis of the hypothesis on excitation of auto-vibrations of the thermal converter housing by appearance of large scale stall vortices on the housing with a frequency of about 300 Hz in considered velocities of gas flow in the measuring line. Performed field observations and obtained calculated data allowed to provide a solution to the problem by changes in natural frequency of the thermal converter housing. Implementation of the proposal will significantly enlarge the range of operating gas flow velocities in measuring lines. Provided the preselected gas flow through the gas metering station, it will be possible to cut the number of operating lines and increase the acceptable gas flow through the station.
Keywords: vibration, turbulence, auto-vibrations, flutter, Karman vortex street, Strouhal number, resonance, natural frequency, spectrum, flow, gas velocity.
Защитный корпус Housing
Соединительная головка Connection head
Рис. 1. Термопреобразователь со снятым защитным корпусом Fig. 1. Thermal converter with removed housing
При проведении пусконаладочных работ и тестовых испытаний газоизмерительной станции (ГИС) на одной из компрессорных станций ПАО «Газпром» были зафиксированы повышенные уровни вибрации измерительных трубопроводов (ИТ) и многократные отказы термопреобразователей (ТП), установленных на ИТ, связанные с нарушением контактов термочувствительных устройств с подводящими электропроводами. На рис. 1 показан термопреобразователь со снятым защитным корпусом. Измерения вибрации ИТ ГИС проводились на участках труб и на корпусах ТП. Максимальные значения вибрации были зафиксированы на корпусах ТП. В спектрах вибрации ТП на некоторых режимах работы ГИС доминировали составляющие с частотами 305-309 Гц. Для оценки влияния режимных параметров на уровень вибрации корпусов термопреобразователей по результатам натурных измерений были построены зависимости среднеквадратического значения (СКЗ) виброскорости ve, мм/с, на частоте 305-309 Гц от скорости по-
тока газа V, м/с, в ИТ. Зависимость от значений скорости потока газа V в ИТ при испытаниях представлена на рис. 2. Будем считать, что максимальное зарегистрированное значение vej = 2,5 мм/с соответствует недопустимому вибросостоянию ТП относительно его работоспособности. Примем, что допустимое значение вибрации ТП при длительной эксплуатации должно быть в 2,5 раза меньше максимального зарегистрированного значения [1]. Тогда из рис. 2 следует, что скорость газа в ИТ не должна превышать 8,2 м/с. Исходя из
этого, для предупреждения появления повышенной вибрации ТП должно быть скорректировано допустимое значение параметра V - не более 8 м/с. Однако такое ограничение скорости приведет к необходимости использовать на рабочих режимах большее число работающих ИТ. Кроме того, исключается наиболее часто устанавливаемый для ИТ диапазон скоростей 8-15 м/с. В целях поиска альтернативных решений были рассмотрены физические процессы, характерные для зарегистрированной вибрации ТП [2, 3].
Для цитирования (for citation):
Соколинский Л.И., Кочергин В.М., Кутателадзе М.Т. О возможных причинах повышенной вибрации термопреобразователей, установленных на измерительных трубопроводах газоизмерительных станций // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 1-2. С. 78-82.
Sokolinskiy L.I., Kochergin V.M., Kutateladze M.T. On the Possible Causes of Increased Vibration of Thermal Converters installed in the Measuring Lines of Gas Metering Stations. Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2018, No. 1-2, P. 78-82. (In Russ.)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 1-2 February 2018
79
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
2,5
г
<и
s 1I*
ill § Я Е -5
га О- ^ га
m vo 4J t
a: s о £
a) m о >
5- ^ ч-=t о
11 О-
1,5
0,5
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
Скорость газа, м/с Gas velocity, m/s
Результаты измерений — Полиномиальная 3-й степени аппроксимация Measurement data (результаты измерений)
Polynomial cubic approximation (measurement data)
Рис. 2. Зависимость вибрации корпуса термопреобразователя от скорости газа в измерительном трубопроводе и полиномиальная 3-й степени аппроксимация этой зависимости Fig. 2. Dependence of the thermal converter housing vibration from the gas velocity in the measuring line and cubic polynomial approximation of this dependence
Рис. 3. Вихри Кармана при обтекании цилиндрического тела Fig. 3. Karman vortices at flow around cylinder
5.0
-40-
D1
.7.0
d
D
L
U
Резьбовой литой защитный карман - параллельная резьба Threaded cast protective well - parallel thread
Размер параллельной резьбы Parallel thread dimension D D1 d
3/4 дюйма BSPF (British Standard Pipe Fitting - Британский стандарт трубной цилиндрической резьбы) (G 3/4) 3/4 inch BSPF (G 3/4) 19 32 12.5
Рис. 4. Размеры, принятые к моделированию защитного корпуса термопреобразователя Fig. 4. Dimensions taken for the thermal converter housing model
По результатам спектрального анализа вибрации и на основе представленной на рис. 2 зависимости было сделано предположение о вибрации ТП на одной из собственных частот в режиме автоколебаний или резонансного возмущения. Предположение было подтверждено измерением собственных частот колебаний ТП при ударном возмущении ТП, смонтированного как на рабочем месте, так и в специальном креплении. Было установлено, что в спектре свободных колебаний ТП присутствует составляющая с частотой около 305 Гц, которая предположительно является парциальной частотой изгибных колебаний защитного корпуса термопреобразователя с заделкой в месте его закрепления на трубе и с незакрепленным концом. В отсутствие вблизи измерительных линий внешних источников динамических колебаний с частотой около 300 Гц наиболее вероятным возбудителем вибрации ТП могли быть срывы вихрей с поверхности корпуса ТП при его обтекании потоком газа (так называемый срывной флаттер [4]). Суть рассматриваемого процесса заключается в том, что для некоторого достаточно большого диапазона скоростей потока за обтекаемым телом срывные вихри структурируются в периодические дорожки (вихревые дорожки Кармана [4]), показанные на рис. 3. Частота следования этих вихрей fk, Гц, может быть вычислена по выражению:
(1)
где V - скорость потока, м/с; St - число Струхаля; d - характерный поперечный размер обтекаемого тела (расстояние между сторонами вихревых дорожек Кармана), мм.
При близости частоты/к к одной из собственных частот колебаний обтекаемого тела возбуждаются автоколебания системы с частотой fc «/к. Для рассматриваемого случая под системой понимаются корпус ТП, закрепленный на измерительном трубопроводе ГИС, и поток газа в этом ИТ с известными параметрами (состав, температура, давление, расход). При этом, как показано в [4], возникает синхронизация автоколебаний собственными колебаниями
80
№ 1-2 февраль 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
Рис. 5. Относительные перемещения термопреобразователя при f = 307,5 Гц Fig. 5. Relative movements of thermal converters at f = 307,5 Hz
одного из элементов системы, выполняющего функции дополнительного генератора (так называемый эффект затягивания). В рассматриваемой системе дополнительным генератором является корпус ТП с его собственной частотой колебаний около 305 Гц. При натурных обследованиях частота колебаний fk практически не менялась для относительно широкого диапазона изменений скорости газа V в ИТ. Число St в формуле (1) является функцией числа Рейнольдса Re,определяемого по выражению:
Ке-р^, (2)
где р - плотность движущейся среды (плотность транспортируемого газа), кг/м3; V - скорость потока, м/с; D - характерный размер поперечного сечения потока, мм (для движения газа в трубе принят внутренний диаметр трубы); ц - коэффициент динамической вязкости среды.
Для условий работы ГИС при испытаниях число Рейнольдса, рассчитанное по формуле (2), Re > 30.106. Как показано в [4], для Re > 5.106 при обтекании потоком газа цилиндрического тела наблюдается образование дорожек Кармана с доминирующей квазидетерминированной частотой срывных вихрей. Число Струхаля для этой турбулентной зоны за цилиндром St = 0,3.
По (1) можно рассчитать поперечный размер обтекаемого тела d для характерных параметров испытаний: V =12 м/с; St = 0,3; /к = 305 Гц; d = 12,0 мм. Сопоставление рассчитанной величины ё ~ 12,0 мм с размерами защитного корпуса указывает на то, что автоколебания с частотой 305-309 Гц в системе «защитный корпус ТП - поток газа в ИТ» могут возбуждаться за счет образования вихрей Кармана за нижней частью корпуса ТП с диаметром (по чертежу) ёк = 12,5 мм. При этом некоторое различие в значениях ё и ё может быть
к
следствием того, что линии срыва вихрей с поверхности цилиндрического тела располагаются за диаметральным сечением, перпендикулярным потоку, или «подтягиванием» частоты срыва к собственной частоте /с [4].
Рассмотренные процессы возбуждения автоколебаний в системе «защитный корпус ТП - поток газа в ИТ» позволяют принять следующий механизм выхода из строя термопреобразователей. При скоростях газа в ИТ 10-12 м/с (расходах 3750-4500 м3/ч) возникают интенсивные автоколебания корпуса ТП на собственной частоте защитного корпуса с максимумом вибрации у днища корпуса, в который изнутри упирается чувствительный элемент (терморезистор).
При сильном прижатии термоэлемента к днищу днище и термоэлемент вибрируют совместно, что приводит к обрыву в местах подключения к терморезистору подводящих электропроводов. Для проверки гипотезы колебаний корпуса ТП на частоте собственных изгиб-ных колебаний/с «/ была построена объемная конечно-элементная модель защитного корпуса ТП в расчетном комплексе ANSYS в соответствии со следующими конструктивными разме-
га
01
СП S. ™
о * £
=С ?
ш
u 2. О О-
н О с
¡5 ас го
о. у <и
Ч О Е
га О- с
Граница зоны рабочих скоростей (исходная) Граница зоны рабочих скоростей (предлагаемая) Limits for operating velocities (initial) Limits for operating velocities (proposed)
3
1Л
E 2,5
fc
& 2
и
1,5
>
с
о 1
га
-Q 0,5
О 0
К
2oM_
6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 24,00
Скорость газа, м/с Gas velocity, m/s
Результаты измерений — Полиномиальная (результаты измерений) — - Полиномиальная (2) Measurement data Polynomial (measurement data) Polynomial (2)
Рис. 6. Предлагаемое изменение условий автоколебаний Fig. 6. Proposed changes to conditions of auto-vibrations
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 1-2 February 2018
81
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
рами: длина корпуса L (расстояние от окончания резьбы у основания корпуса ТП до его торцевого конца) » 240 мм; D = 19 мм; 1 = 12,5 мм; внешний диаметр dвн = 7 мм (рис. 4).
Расчет форм изгибных колебаний конечно-элементной модели корпуса ТП с запрещенными перемещениями (защемлением) на стороне большего диаметра в комплексе ANSYS показал, что частота 1-й изгибной формы колебаний защитного корпуса ТП £ равна 307,5 Гц (рис. 5), что практически совпадает со значением, полученным экспериментально. Выполненные расчеты подтвердили принятую гипотезу возбуждения автоколебаний защитного корпуса ТП измерительных линий. Это позволило предложить одно из возможных решений рассматриваемой проблемы изменением условий возбуждения автоколебаний за счет увеличения частоты автоколебаний уменьшением в допустимых пределах длины защитного корпуса.
Из [5] следует, что глубина погружения в поток защитного корпуса 1а допускается в пределах 0,3-0^, где D - внутренний диаметр ИТ, мм. В рассматриваемом случае ¿п « 220 мм (с учетом толщины стенки трубы); й = 400 мм; ¿п (0,3) = 120 мм; £п (0,7) « 280 мм. Расчетные значения
собственных частот для граничных значений £п равны £ (0,3) = 1229,8 Гц; £ (0,7) = 232,2 Гц. ° Рассмотрим изменение параметров автоколебаний в зависимости от £ .
п
Обратимся к рис. 2 и будем считать, что зависимость параметра вибрации у. от скорости газа V в ИТ уе. = F(v), где Г - сила, Н, описывается полиномом 3-го порядка с уср = 10,5 м/с, соответствующим максимальному значению УеГ и среднеквадратическим отклонением от левой ветви функции о(у) = 1,5 мм/с. Предположим, допустимое значение скорости газа в ИТ удоп = 15 м/с. Для этого кривая распределения на рис. 1 должна сместиться так, чтобы при сохранении значения о(у) допустимая скорость V « V - 2 о(у), где
г доп ср.нов \ /' "
V - значение скорости газа при
ср.нов г г
максимальной нового распределения (рис. 6). Из последнего условия следует, что V > 18 м/с. При этом
гп-7 ср.нов ' г
согласно (1) £к нов » 457 Гц. Для выполнения условий, отраженных на рис. 6, аналитическим способом был проведен подбор оптимальной конфигурации корпуса ТП, при которой частота 1-й формы изгибных колебаний корпуса ТП превысила бы 457 Гц. Изменялась длина корпуса ТП с сохранением его основных геометрических
характеристик: й = 19 мм, 1 = 12,5 мм, <вн = 7 мм. Результаты расчетов показали, что частота 1-й изгибной формы колебаний защитного корпуса ТП £ становится равна 460 Гц при длине корпуса £ « 200 мм. В этом случае длина погружения термопреобразователя в поток £п » 180 мм, что удовлетворяет требованиям [6]. Следует отметить, что изготовители термопреобразователей предлагают, как правило, защитные корпуса различной длины, что позволяет без дополнительных затрат выбрать нужный размер.
Внедрение рассмотренного в статье предложения позволит не только исключить возникновение повышенной вибрации термопреобразователей ИТ в рабочем диапазоне скоростей газа, но и существенно расширить этот рабочий диапазон, что будет способствовать повышению экономичности эксплуатации ГИС. Применение на стадии проектирования предложенного подхода к рассмотрению динамических процессов в потоке газа при расположении в нем различных устройств (термопреобразователей, рассекателей и т. п.) будет способствовать повышению надежности трубопроводов и оборудования газотранспортных систем.
Литература:
1. Ангалев А.М., Соколинский Л.И., Лопатин А.С. Исследования вибрации и пульсации газа в системах «центробежный нагнетатель - трубопровод» // Труды Российского гос. ун-та нефти и газа им. И.М. Губкина. 2009. № 4. С. 74-85.
2. Засецкий В.Г., Каравосов Р.К., Прозоров А.Г., Соколинский Л.И. Исследование взаимодействия возмущений во внутреннем течении // Инженерно-физический журнал. 2004. Т. 77. № 5. С. 82-87.
3. Вишняков В.А., Засецкий В.Г., Каравосов Р.К., Прозоров А.Г., Соколинский Л.И. Аэродинамическое возбуждение однотипных узкополосных пульсаций в различных технических устройствах // Инженерно-физический журнал. 1999. Т. 72. № 5. С. 902-906.
4. Ланда П.С. Срывной флаттер и эффект затягивания // Вестник научно-технического развития. 2009. № 6 (22). С. 10-19.
5. ГОСТ 8.586.5-2005 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Ч. 5. Методика выполнения измерений (с поправкой) [Электронный источник]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200047570 (дата обращения: 15.02.2018).
References:
1. Angalev A.M., Sokolinskiy L.I., Lopatin A.S. Studying Gas Vibration and Pulsation in "Centrifugal Blower - Pipeline" Systems. Trudy Rossiyskogo gosudarstvennogo universiteta nefti i gaza im. I.M. Gubkina = Proceedings of the Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2009, No. 4, P. 74-85. (In Russian)
2. Zasetskii V.G., Karavosov R.K., Prozorov A.G., Sokolinskiy L.I. Study of Interaction of Disturbances in an Internal Flow. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2004, Vol. 77, No. 5, P. 965-971.
3. Vishnyakov V.A., Zasetskij V.G., Karavosov R.K., Prozorov A.G., Sokolinskiy L.I. Aerodynamic Excitation of Uniform Narrow-Band Pulsation in Various Engineering Devices. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 1999, Vol. 72, No. 5, P. 902-906.
4. Landa P.S. Stall Flutter and Stretching Effect. Vestnik nauchno-tekhnicheskogo razvitiya = Bulletin of Science and Technical Development, 2009, No. 6 (22), P. 10-19. (In Russian)
5. State Standard GOST 8.586.5-2005. State System for Ensuring the Uniformity of Measurements. Measurements of Liquids and Gases Flow Rate and Quantity by Means of Orifice Instruments. Part 5. Measurement Procedure (with the Amendment) [Electronic source]. Access mode: http://docs.cntd.ru/document/1200047570 (access date: February 15, 2018). (In Russian)
82
№ 1-2 февраль 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
