管道振动分析技术：机械振动和流致振动

管道振动分析技术 机械振动和流致振动 2017 09 25 声振之家 来源 管道应力分析软件及工程实例专题培训 作者 孙学军 中国石油管道局设计院 管道振源 机械导致的振动分析 机械导致的管道振动主要有两种原因 通过管嘴直接传到管道 通过安装在橇装设备上的支撑或刚度低的基础传到管道上 如果转动设备动平衡差 它的振动频率是旋转轴的转动频率 如果转动设备没 有牢固固定在基础上 比如有某个螺栓没有固定好 它也会以旋转轴的频率振 动 如果设备振动频率接近管道固有频率 管道发生振动 同时会放大泵或压 缩机的机械振动 激发频率 分析时 确定主要振动频率和振动方向后进行管道结构谐响应分析 并进行评 价 流致振动分析 1 流体分析流体分析 主要内容 确定流体激振频率 激振力 往复机 离心机出口的压力脉动 泵 压缩机以平均压力 P 输送流体 当叶片通过出口管嘴或活塞完成一个冲程 下游流体会出现一个正弦压力波动 dP 连续排出的流体导致周期的压力 P dP 沿着管子向下游传播 在方向改变或横截面变化的位置产生一个不平衡力 通 常 离心机产生的力很小 除非管道柔性较大 一般不会导致管道明显振动 但对于往复机 将会产生明显的振动 压力脉动频率 注 RPM 为每分钟的转数 CPM 为每分钟活塞完成冲程的个数 分支处的湍流 分支处的湍流 在流体剪切层 靠近壁面的流体流速低 远离壁面的流体流速高 在分支处流 体剥离 形成涡流 涡流对支管内的流体产生周期性挤压 从而引起管道振动 涡流引起的压力波动也可能引起安全阀打开 仪表套管等障碍物处的湍流 仪表套管等障碍物处的湍流 流体在流过仪表套管等障碍物处 障碍物后方也会产生涡流 从而导致障碍物 振动 2 声学分析声学分析 主要内容 确定管内流体声学固有频率及声学响应 声学固有频率 声学固有频率 简单管道 一端声学开口 一端声学闭口 两端声学闭口 复杂管道 通过转移矩阵法或有限元法计算 声学响应 声学响应 当涡流脱落频率与流体声学固有频率相同或接近时 流体便发生共振 支管内 流体压力的不均匀度会达到一个极大值 对于天然气 阻尼比非常小 当气柱发生共振时 声压值会放大上百倍 声压分布 气柱共振时的激振力 3 管道结构振动分析管道结构振动分析 主要内容 通过 ANSYS CAESAR II 等有限元分析软件进行管道受迫响应分 析 计算振动幅值 交变应力 振动评价 1 设计阶段设计阶段 API618 振动准则 振动准则 频率低于 10Hz 许用振幅为 0 5mm 峰 峰值 频率在 10 200Hz 许用振动 速度约为 32mm s 峰 峰值 进行管道系统疲劳分析 进行管道系统疲劳分析 2 现场振动问题现场振动问题 经验图标 经验图标 结合现场振动测量数据 建立管道振动分析模型 进行疲劳分析 评价管道振 动水平 振动预防和缓解 1 对于机械导致的振动对于机械导致的振动 确保管道不发生共振 增加刚性支撑 防振支撑消减振动 管嘴处采用软连接 如波纹管或编织软管 受流体性质和压力的限值 2 对于流致振动对于流致振动 减小或消除流体激振 减小或消除流体激振 优化管道布置 尽量减少脉动的产生 设置导流板 减小或消除湍流 控制管道结构固有频率 控制管道结构固有频率 使管道结构固有频率与流体激振频率错开 避免管道发生机械共