戰(zhàn)海云

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266061)

引起管路系統(tǒng)振動(dòng)的原因主要有管道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的變化、動(dòng)力機(jī)械對管道系統(tǒng)的影響、管道的節(jié)流元件、管道內(nèi)流體的流速、管道的約束條件等。在實(shí)際的管道安裝設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員改變管道系統(tǒng)振動(dòng)的途徑主要通過改變管道的固有頻率和設(shè)計(jì)阻尼裝置來實(shí)現(xiàn)。本文利用CAESARⅡ?qū)δ碂捰蛷S的某段蒸汽管道進(jìn)行建模，并根據(jù)實(shí)際情況增加限位約束。然后對管道進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，找出振幅較大點(diǎn)并對整個(gè)管道系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。

1 管道模型

利用CAESARⅡ?qū)δ碂拸S的蒸汽管道系統(tǒng)進(jìn)行建模(圖1)，輸入相應(yīng)的參數(shù)，主要參數(shù)信息包括：管道材料參數(shù)以及約束信息、管道空間走向、操作條件、保溫層的參數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)與管道長度、管截面參數(shù)、操作工況、選擇材料類型等。表1為該蒸汽管道的主要參數(shù)。

圖1 基于 CAESARII軟件建立的蒸汽管段模型

類型材料外徑/mm管壁/mm溫度/℃壓力/MPa管道10GrMo910406.414.25402.93保溫CaSiO3170

2 靜力分析

利用CAESARⅡ?qū)φ羝艿肋M(jìn)行靜態(tài)分析，得出的一次和二次應(yīng)力應(yīng)滿足ASME B31.3 的設(shè)計(jì)要求。表2為該蒸汽管線CAESARⅡ應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果。

表2 CAESARⅡ應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果

3 動(dòng)態(tài)分析

利用 CAESARⅡ?qū)υ撜羝艿肋M(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，得到該管道前6階的固有頻率。表3為該蒸汽管段前6階的固有頻率。

表3 蒸汽管段前6階固有頻率

《SH/T 3108-2017 石油化工全廠性工藝及熱力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定，蒸汽管道的固有頻率不得小于 2.5Hz。通過動(dòng)態(tài)分析發(fā)現(xiàn)該管段的前6固有頻率均小于這個(gè)數(shù)值。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，固有頻率越低越容易發(fā)生振動(dòng)。

4 管道振動(dòng)原因

引起管道及其附屬設(shè)備振動(dòng)的因素包括很多，但主要是由于流體在管道內(nèi)流動(dòng)過程中，由于管徑及彎頭的變化使得流體的壓力、密度、流速等產(chǎn)生變化，形成紊流。紊流能引起高頻振動(dòng)和低頻振動(dòng)，并呈現(xiàn)不同的振幅和頻率交替變化[1]。振動(dòng)是管道上的交變載荷。當(dāng)管道系統(tǒng)的任何固有頻率與激勵(lì)頻率相等或接近時(shí)，將發(fā)生共振[2]。

通常設(shè)計(jì)院在對管道進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)時(shí)，大多通過設(shè)計(jì)彈簧支吊架來提高管道的熱脹補(bǔ)償，但是這樣的設(shè)計(jì)會(huì)降低管道的固有頻率。如果在低頻激勵(lì)條件下，可能發(fā)生低頻共振。另外，如果在管道上設(shè)計(jì)彈簧支吊架過多固定支架及限位支架較少會(huì)使得管道缺少必要的剛性約束，從而降低穩(wěn)定性，這樣也起不到限制管道振動(dòng)的效果。

5 減振措施分析

圖2 蒸汽管段減振布置點(diǎn)

項(xiàng)目一次應(yīng)力二次應(yīng)力規(guī)范應(yīng)力最大值/MPa40.13122.88最大值位置#130 #739 許用應(yīng)力/MPa51.97211.76應(yīng)力比/%77.258.00

通過CAESARⅡ?qū)υ撜羝芏芜M(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析的結(jié)果顯示，該蒸汽管道的固有頻率較低，因此進(jìn)行減振分析時(shí)，主要通過調(diào)整增加固有頻率來降低管道的震動(dòng)。通過在 111、222 這兩處設(shè) X向和Z 向阻尼，在 333、444設(shè) Z 向同向阻尼，在 555、666 處設(shè) Z 向同向阻尼，在 777、888處設(shè) X向和Z向向雙徑向限位。圖 2為該蒸汽管段的減振布置點(diǎn)，表4為靜力分析結(jié)果，表5為模態(tài)分析結(jié)果。

表5 管道前6階固有頻率(加阻尼)

對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)通過增加阻尼后以及不加阻尼的情況下，管道的位移變化不大，一次和二次應(yīng)力稍微偏大，管道系統(tǒng)前6階的固有頻率相對增大。分析還發(fā)現(xiàn)，位移約束對該蒸汽管道系統(tǒng)的模態(tài)起到明顯效果，將 333、444的阻尼設(shè)定成軸向的位移約束(位移27 mm)，其它6個(gè)節(jié)點(diǎn)的約束位置不變，再利用 CAESARII應(yīng)力分析軟件進(jìn)行分析，分析位移約束大小影響管道應(yīng)力和固有頻率的大小。本文設(shè)計(jì)的位移約束分別為 5、10、20、26 和30 mm。表6為應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果，表7為加阻尼和位移約束后的前 6 階固有頻率，表8為位移約束對一次、二次應(yīng)力和頻率的影響。

表6 加阻尼和位移約束后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表7 加阻尼和位移約束后的前 6 階固有頻率

表8 位移約束對一次、二次應(yīng)力和頻率的影響

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位移約束使得該蒸汽管線的一次應(yīng)力增加，二次應(yīng)力減小，固有頻率增加。如果管道蒸汽運(yùn)行，該管道的節(jié)點(diǎn)的最大位移由原來的257.258 mm變到26.427 mm，位移相差230.831，大大的降低了管道變行風(fēng)險(xiǎn)。在管道上加不同的約束，結(jié)果不一樣。位移約束越多，一次應(yīng)力增加越明顯，二次應(yīng)力減小越明顯，而位移約束對該蒸汽管道的固有頻率沒有明顯的影響。管道位移約束和阻尼使得固有頻率增加但減少了由激勵(lì)頻率和固有頻率的近似引起的共振。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)安裝過程中，同時(shí)對該管道加阻尼和位移約束，這樣不僅可以提高該蒸汽管線的固有頻率，又可以降低二次應(yīng)力，減少管道的位移，降低管道變形的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

利用CAESARⅡ?qū)δ碂捰蛷S的某段蒸汽管道進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。得到了該管道的最大位移，應(yīng)力和固有頻率。然后，利用該軟件對管道系統(tǒng)的減振進(jìn)行了分析，得到了改變管道阻尼對一次應(yīng)力，二次應(yīng)力和固有頻率均有影響。分析發(fā)現(xiàn)如果增大阻尼和位移約束，一次應(yīng)力和固有頻率增加。頻率增加，二次應(yīng)力減小，節(jié)點(diǎn)最大位移減小。位移約束的增加，一次應(yīng)力增加，二次應(yīng)力減小，固有頻率不變。根據(jù)分析結(jié)果，對該蒸汽管道提出減振的建議，通過提高該蒸汽管線的固有頻率來降低其熱膨脹和位移二次應(yīng)力。