1LNG 20000m³ 全容罐泵井振动特性分析与安全评估

摘要：本研究聚焦于河北某 LNG 调峰站 20000m³ 储气调峰站项目中的全容罐泵井，展开了系统且深入的振动分析探究。通过精确界定合理的约束条件、妥善处置集中质量以及有效等效内外液体等关键步骤，构建了有限元模型并实施模拟分析。详细探讨了不同工况下泵筒的自振频率特性，并与潜液泵的工作频率范围进行对比，以此对泵井的安全状态予以评估。研究成果为全容罐泵井的安全运行和优化设计，提供了重要的理论依据与技术支撑。

关键词：LNG 全容罐；泵井；振动分析；有限元模型；安全评估

一、引言

随着全球对清洁能源需求的持续增长，液化天然气（LNG）作为一种高效、清洁的能源，在能源领域的地位日益重要。LNG 储气调峰站作为保障天然气稳定供应的关键设施，其安全运行至关重要。全容罐作为 LNG 储气调峰站的核心设备之一，而泵井作为全容罐的重要组成部分，其振动特性直接关乎整个系统的安全可靠性。在泵井运行过程中，由于泵的运转以及液体的流动等因素，极易诱发振动。一旦泵井的自振频率与泵的工作频率相近或重合，便会发生共振现象，进而导致结构疲劳损坏，甚至引发严重的安全事故。因此，对 LNG 全容罐泵井进行精确的振动分析，对于保障储气调峰站的安全稳定运行，具有极为重要的现实意义。本文旨在通过系统的研究，深入剖析 LNG 20000m³ 全容罐泵井的振动特性，为其安全运行和优化设计提供更为可靠的依据。

二、泵井振动分析的关键要素

2.1 约束条件的确定

泵筒在内罐内的振动受到多种约束条件的影响。在本研究中，对于套筒处对泵筒的约束，考量了两种典型情形：其一为仅约束泵筒上节点；其二为将套筒上下节点均进行约束。同时，对于管嘴的约束作用，亦考虑了两种情况，即完全自由状态以及在三个方向上施加位移约束。这些不同的约束条件组合，能够模拟泵井在实际运行中可能面临的多种工况，为准确分析泵筒的振动特性奠定基础。

2.2 集中质量的处理

集中质量的精确处理是振动分析的关键环节。在本项目中，采用 RF-DYNAM PRO 中的附加质量方法来模拟泵筒的附加质量，诸如发动机相关质量、顶板处相关质量等。这种处理方式能够将实际结构中的复杂质量分布简化为可计算的模型参数，使在有限元分析中能更准确地反映结构的动力学特性。

2.3 内外液体的等效

罐筒内部液体和外部液体在泵筒自振时会对其产生减缓作用。为在分析中考虑这一因素，通过引入一个等效密度来实现内外液体的等效。该等效密度综合考量了液体的密度、粘性以及与泵筒的相互作用等因素。在实际计算中，依据不同的工况，如泵筒内液体的充装情况以及内罐的液位状态，确定相应的等效密度值。如此，在有限元模型中能够更真实地模拟液体对泵筒振动的影响，提高振动分析结果的准确性。

三、有限元模型的构建与分析

3.1 有限元模型的建立

依据顶板的标高、底阀的标高、支架标高、套筒的位置以及管嘴的标高，创建关键的点。通过这些关键点生成线，并为其附上梁单元，从而构建起泵井的有限元模型。在建模过程中，精确的坐标定位和合理的单元选择是确保模型准确性的关键。例如，对于泵筒的模拟，采用 3D梁单元，梁单元能够较好地模拟细长结构在弯曲、拉伸和扭转等载荷作用下的力学行为，与泵筒的实际受力情况较为契合。同时，对模型中的各个节点和杆件进行详细的参数设置，包括节点坐标、杆件类型、截面特性等，以保证模型能够准确反映泵井的实际结构和力学特性。

3.2 单元选择

采用 3D 梁单元来模拟泵筒，这种单元类型在处理细长结构的振动问题上具有较高的精度和可靠性。对于泵筒的附加质量，如发动机相关质量、顶板处相关质量等，利用 RF-DYNAM PRO 里的附加质量功能进行模拟。在设置梁单元的参数时，充分考虑泵筒的材料特性、几何尺寸以及实际工作中的受力情况。例如，根据泵筒的材料确定其弹性模量和泊松比等参数，这些参数直接影响梁单元在有限元分析中的力学响应。同时，对附加质量的模拟也进行了细致的设置，确保其能够准确反映实际结构中的质量分布情况。

3.3 分析工况的设定

根据泵筒和内罐里面是否有产品，将分析工况分为三种情况：

工况 I：泵筒空 + 内罐空：此时泵筒的密度等于其自身材料的密度，即 7930 kg/m³，施加于整体模型。在这种工况下，主要分析泵筒在无液体负载情况下的自振特性，为后续考虑液体影响的工况提供对比基础。

工况 II：泵筒满（到出口位置） + 内罐空：在该工况下，泵筒的密度等于等效密度（泵筒 + 内部产品），即 12536.85kg/m³，施加于泵筒 LNG 外输管以下部位，其余部位为自身材料密度 7930kg/m³。这种工况模拟了泵筒内有液体但内罐为空的工作状态，用于分析液体对泵筒振动特性的影响。

工况 III：泵筒满（到出口位置） + 内罐满（产品到设计标高）：此时泵筒的密度等于等效密度（泵筒 + 内部产品 + 外部产品），施加于泵筒 LNG 外输管以下部位，其余部位为自身材料密度 7930kg/m³。该工况考虑了泵筒和内罐均充满液体的最复杂工作状态，全面分析液体对泵筒振动的综合影响。

3.4 附加质量的施加

对于顶部顶板的附加重量和底部底阀与泵的附加质量，通过 RF - DYNAM Pro 软件进行施加。在软件中，详细设置附加质量的参数，包括质量大小、位置以及转动惯量等。例如，在节点质量设置中，准确输入各个节点对应的附加质量数值，确保在有限元模型中能够真实反映这些附加质量对泵筒振动的影响。通过合理施加附加质量，使有限元模型更接近实际结构的动力学特性，提高振动分析结果的准确性。

四、计算结果与分析

4.1 不同工况下的模态频率结果

4.1.1 工况 I：泵筒空 + 内罐空

约束 1（约束套筒上下两个点）：在此约束条件下，穿过穹顶混凝土的套筒上下两端皆为固结，其余为导向支架支座。最终前三阶模态频率（HZ）结果如下：

约束 2（约束套筒上部点）：当穿过穹顶混凝土的套筒上端为固结，其余为导向支架支座时，最终的前三阶模态频率（HZ）结果如下：

在工况 I 下，由于泵筒和内罐均为空，泵筒主要受自身结构和约束条件的影响。从结果可以明显看出，不同的约束方式对泵筒的模态频率有显著影响。约束套筒上下两个点时，泵筒的约束更为严格，其模态频率相对较高。例如，第二阶和第三阶模态频率在约束 1 下均为 25.644Hz，而在约束 2 下分别为 25.642Hz，这清晰地表明约束条件的改变会导致泵筒振动特性的变化。

4.1.2 工况 II：泵筒满 + 内罐空

约束 1（约束套筒上下两个点）：该工况下，穿过穹顶混凝土的套筒上下两端皆为固结，其余为导向支架支座。最终前三阶模态频率（HZ）结果如下：

约束 2（约束套筒上部点）：当穿过穹顶混凝土的套筒上端为固结，其余为导向支架支座时，最终前三阶模态频率（HZ）结果如下：

在工况 II 中，泵筒内充满液体，液体的质量和阻尼作用使得泵筒的自振频率显著降低。与工况 I 相比，无论是哪种约束方式，前三阶模态频率都大幅下降。例如，在约束 1 下，第一阶模态频率从工况 I 的 21.019Hz 降至 4.065Hz，这充分体现了液体对泵筒振动特性的显著影响。同时，不同约束方式下的频率差异依然存在，说明约束条件和液体的综合作用决定了泵筒的振动特性。

4.1.3 工况 III：泵筒满 + 内罐满

约束 1（约束套筒上下两个点）：该工况下，穿过穹顶混凝土的套筒上下两端皆为固结，其余为导向支架支座。最终前三阶模态频率（HZ）结果如下：

约束 2（约束套筒上部点）：当穿过穹顶混凝土的套筒上端为固结，其余为导向支架支座时，最终前三阶模态频率（HZ）结果如下：

工况 III 是最为复杂的工况，泵筒和内罐均充满液体。此时泵筒的自振频率进一步降低，这是由于内外液体的综合作用增加了系统的质量和阻尼。与工况 II 相比，各阶模态频率再次下降。例如，在约束 1 下，第一阶模态频率从工况 II 的 4.065Hz 降至 3.451Hz。这表明随着液体负载的增加，泵筒的振动特性发生了显著变化，其自振频率向更低的方向移动。

4.2 与潜液泵工作频率的对比及安全评估

本项目的潜液泵转速变频调节，额定转速 5070RPM。泵启动后最少直接升速至 2000rpm，同时考虑流量调节范围，泵筒自振分析应避开 2000 - 5070rpm，即 67Hz - 167Hz 对应的频率范围（公式：频率 = 转速 x 极对数（本项目是 2）/60）。在上述泵筒自振的分析中，泵筒的自振频率最大为 25.644Hz，小于自振频率范围的最小值 133.3Hz。通过对比可以明确，在各种工况和约束条件下，泵筒的自振频率均未落入潜液泵的工作频率范围内。这表明泵筒在当前设计和运行条件下，不会因与潜液泵工作频率共振而导致结构损坏，处于安全状态。

五、结论与展望

5.1 研究结论

本文通过对 LNG 20000m³ 全容罐泵井振动特性的深入研究，取得了以下主要结论：

明确了泵井振动分析中约束条件、集中质量处理以及内外液体等效的关键方法。通过合理设置约束条件，能够准确模拟泵筒在不同工作环境下的边界条件；采用 RF-DYNAM PRO 里的附加质量方法有效处理了集中质量问题；引入等效密度成功考虑了内外液体对泵筒自振的减缓作用。

建立了精确的有限元模型，通过选择合适的单元类型和细致的参数设置，能够准确反映泵井的实际结构和力学特性。在不同工况下，对泵筒的自振频率进行了详细分析，揭示了约束条件、液体充装情况对泵筒振动特性的影响规律。

通过与潜液泵工作频率的对比，评估了泵筒的安全状态。结果表明，在当前设计和运行条件下，泵筒的自振频率未落入潜液泵的工作频率范围内，处于安全状态。

5.2 研究展望

尽管本研究在 LNG 全容罐泵井振动分析方面取得了一定成果，但仍存在一些需要进一步研究和完善的方向：

目前的研究主要基于静态工况下的振动分析，而泵井在实际运行中可能会经历动态变化的过程，如泵的启动、停止以及液体流量的快速变化等。因此，开展动态工况下的泵井振动分析研究具有重要意义，能够更真实地反映泵井的实际运行状态。