黃 雷,施方樂
(滬東中華造船(集團)有限公司,上海 200129)
壓力管路振動是船舶機械振動的重要組成部分。船舶壓力管路振動故障主要存在2大危害。1)壓力管路振動可能引起空氣噪聲和向船體結構傳遞引起結構噪聲,對于某些特殊用途船舶來講是難以接受的,如豪華郵輪和軍用艦船;2)壓力管路振動還可能進一步引起管路撕裂等故障,導致系統(tǒng)無法正常運行。
傳統(tǒng)上,機械振動治理主要為采用低噪聲設備和對振動源設備進行減振和隔振。隨著手段的豐富,正逐步開始對管路振動預防方面的研究。本文介紹了通過應用英國能量研究所(EI)提供 的分析方法,對船舶壓力管路物理參數(shù)進行定性和定量分析,實現(xiàn)對管路振動失效故障進行預報的方法。
按壓力管路振動故障的評估流程,可分為被動評估和主動評估2種模式。
被動評估模式是目前常規(guī)采取的模式,即按常規(guī)方法進行管道設計,不預先進行振動分析。在管道系統(tǒng)建成運行時如出現(xiàn)振動故障問題,再進行針對性分析,然后采取整改措施。該模式的優(yōu)點是分析工作有限,時間短,初期投入成本低。缺點是進行事后分析與處理,可能難以進行整改或難以整改至理想狀態(tài),后期整改時間與成本難以把控。
主動評估模式在設計時就對管道系統(tǒng)進行評估分析,找出振動隱患,進行預處理。該方式的缺點是前期工作量較大,設計時間增加,投入成本提高。優(yōu)點是提前進行評估,對可能發(fā)生的振動故障問題進行了預判,有利于實現(xiàn)故障預防,減輕故障影響。該模式目前在國際上逐漸開始流行。
就2種評估模式進行對比可見,雖然前期工作增加投入較高,主動評估模式較被動模式更有利于對風險進行把控。本文主要就壓力管路振動故障進行主動振動評估的方法進行介紹。
對船舶壓力管路全面開展振動故障評估將會帶來較大工作量,對船舶正常的設計周期產(chǎn)生一定影響,必要性不是很強。因此建議有目的地對某些重要系統(tǒng)或容易產(chǎn)生振動故障的壓力管路開展振動故障評估。評估范圍的確定可按照如下原則:
1)重要性原則。主推進裝置、發(fā)電裝置的日用燃/滑油系統(tǒng)、燃/滑油輸送及分離系統(tǒng)、海/淡水冷卻系統(tǒng);其他重要設備的液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng);重要的壓縮空氣系統(tǒng)管路,包括柴油機起動空氣系統(tǒng)、重要設備壓縮空氣供氣系統(tǒng)及全船壓縮空氣供氣主管路;水滅火系統(tǒng)管路。
2)易故障原則。系統(tǒng)壓力>0.4MPa 的常用油類管路,系統(tǒng)壓力>0.8MPa 常用水系統(tǒng)管路,以及高流速系統(tǒng);系統(tǒng)復雜,支管、盲管較多的管路系統(tǒng);管路變徑較多的系統(tǒng);運行中經(jīng)常有閥件自動開關、泄放的管路系統(tǒng);存在壓縮機、容積式泵的系統(tǒng);大通徑管路上的小支管。
3.1.1評估內(nèi)容
首先,應對壓力管路進行振動定性分析。定性分析過程定義了十項管道發(fā)生振動風險的潛在激發(fā)因素,以及一項可能產(chǎn)生影響的特定條件和操作因素。
管道發(fā)生振動風險的十項潛在激發(fā)因素具體判斷可按表1。
續(xù)表1:
可能產(chǎn)生影響的特定條件和操作因素如下:施工質(zhì)量如何、系統(tǒng)維護計劃的有效性、是否有周期性操作、每年操作中非計劃中斷次數(shù)。潛在激發(fā)因素的定性判斷可按表2。
表2 管路發(fā)生振動風險的管路特定條件和操作因素
3.1.2評估結果處理
將以上潛在激發(fā)因素、特定條件和操作因素分別按低、中、高進行評估,其中四項特定條件和操作因素綜合為1項。然后以十一項內(nèi)容進行綜合評估(根據(jù)介質(zhì)相態(tài)進行取舍),得出“低、中、高”的最終評估結果。對于“低”評估結果的管路系統(tǒng),可不予處理。對于“中”、“高”評估結果的管路系統(tǒng),可根據(jù)單項評估結果進行定量分析,從而進一步對可能的故障模式、故障點進行確認與處理。
潛在激發(fā)因素、特定條件和操作因素綜合評估方法參照圖1所示流程圖進行。
1)首先評估4項特定條件和操作因素,適用全部相態(tài),以1高、2中、1低為中間值,低于該結果為低,等于該結果為中,高于該結果為高。
2)再綜合評估10項激發(fā)因素,其中2項僅適用氣相流,2項僅適用兩相流,6項適用于全部相態(tài)。
3)最后將10項激發(fā)因素和1項特定條件和操作綜合因素進行綜合評估,得出最終結果,因此定性評估按以下判據(jù)執(zhí)行:
(1)液相流。以2高、3中、2低為中間值,低于該結果為低,等于該結果為中,高于該結果為高;
(2)氣相流。以3高、3中、3低為中間值,低于該結果為低,等于該結果為中,高于該結果為高;
(3)兩相流。以3高、3中、3低為中間值,低于該結果為低,等于該結果為中,高于該結果為高。
4)定性分析僅僅表示了管道系統(tǒng)發(fā)生振動的風險,并不是表示一定會發(fā)生,只有進一步通過定量分析,才能進行進一步確認。
5)定性評估的流程框圖見圖1。
圖1 定性評估的流程框圖
3.2.1評估方法
對于定性分析“中”、“高”評估結果的管路系統(tǒng)開展定量分析。按照一定方法,計算失效可能性參數(shù)值(Likelihood of Failure,LOF),繼而對管路振動故障可能性進行評估。
1)計算LOF值
主要根據(jù)介質(zhì)相態(tài)、管路形態(tài)來確定分為以下幾種方法。
(1)流體誘發(fā)的振動定量分析方法(FIV)
適用于氣相、液相的單相或兩相常溫流體管系,使用最為廣泛。
步驟1:確定動能參數(shù)ρV2(ρ為介質(zhì)密度,kg/m3;V為介質(zhì)流速,m/s)。
步驟2:確定流體黏度系數(shù)(Fluid Viscosity Factor,F(xiàn)VF)
對于液態(tài)及多相流:FVF=1。對于氣相流,如式(1)
式中:μgas為氣體的運動黏度,Pa·s。
步驟3:確認支架布置間距L
具體操作步驟如下。
判斷條件1:
?1.234 6×10-5×Dext2+0.02×Dext+2.0563
判斷條件2:
?1.188 6×10-5×Dext2+0.025 262×Dext+3.3601
判斷條件3:
?1.596 8×10-5×Dext2+0.033 583×Dext+4.429
Dext為管路外徑,mm;剛性強的:L≤判斷條件1;剛性較強的:判斷條件1<L≤判斷條件2。中間值的:判斷條件2<L≤判斷條件3;柔性的:L>判斷條件3。管路支架布置間距與管路外徑對應關系見圖2,大部分情況下,按照“剛性為中間值(Medium Stiff)”(~7Hz)進行選取。
圖2 管路支架間距和管路外徑對應關系圖
步驟4:確定流體激振系數(shù)Fv(支架布置,Medium Stiff)
步驟5:計算LOF值
流體引起的紊流LOF=(ρV2/Fv)FVF
(2)氣體誘發(fā)的高頻噪音振動定量分析方法(AIV)
適用于氣相,分析管系不連續(xù)點的振動情況,如支管、三通等位置。高頻噪聲源一般發(fā)生在諸如減壓閥、節(jié)流孔板、快關閥、安全閥或形成漩渦的支管位置等處。
步驟1:計算聲源位置和管系不連續(xù)點噪聲級水平
計算按圖3中公式及程序。
步驟2:計算LOF值 計算按圖4所示公式及流程。
表3 流體激振系數(shù)F v 計算表
圖3 聲源位置和管系不連續(xù)點噪聲級水平計算流程圖
圖4 不連續(xù)點的LOF值計算流程
代號說明:
PWL為聲源噪聲,dB;Dext為主管路外徑,mm;dext為主管路外徑,mm;Dint為主管路內(nèi)徑,mm;Ldis為不連續(xù)點和噪聲源之間的距離,mm;P1為高壓部位壓力,Pa;P2為低壓部位壓力,Pa;W為流量,kg/s;Te為系統(tǒng)溫度,K;Mw為氣體的分子重量,g/mol;T為主管壁厚,mm;SFF為聲速流校正系數(shù),聲速條件下SFF=6,否則為0。
(2)流體引發(fā)的脈動定量分析方法(FIP)
適用于對大管路上的支管進行核算。
步驟1:確定臨界支管管徑
步驟2:判斷支管內(nèi)徑與dcrit的大小關系,如小于臨界值,需進一步核算。
步驟3:確定雷洛數(shù)
2)根據(jù)LOF的值評估
根據(jù)計算結果確認后續(xù)工作:
LOF≥1,必須對管道系統(tǒng)進行防振動處理。
0.5≤LOF<1,應對管道系統(tǒng)進行防振動處理。
0.3≤LOF<0.5,應對管道系統(tǒng)主管路上的小通徑分支管路進行進一步定量分析,根據(jù)結果進行防振動處理,應對操作條件是否合理進行檢查,并對施工質(zhì)量進行控制。
LOF<0.3,可不進行處理,但應對施工質(zhì)量進行控制,并加強運行檢查。
3.2.2評估結果處理
對于定量分析后需要進行處理的管路,可通過如下原則和方法進行處理:
1)主管主導原則
如果主管經(jīng)過定性定量分析無振動故障隱患,則無需對小通徑支管進行振動故障隱患分析。
如果主管經(jīng)過定性定量分析無振動故障隱患,仍需對小通徑支管進行振動故障隱患分析。
小通徑支管經(jīng)分析存在振動故障隱患時,應結合主管一起進行治理。
2)調(diào)整設計參數(shù)法
一般可先調(diào)整設計參數(shù),然后重新進行定性、定量評估,直至評估結果為不需處理。
3)管路建模分析
當條件限制,無法進一步對管路設計參數(shù)進行調(diào)整,則采用CAESAR、AFT等專用軟件對管路系統(tǒng)建模后進行模態(tài)分析、應力分析,得出相應的振動形態(tài)和有害點布置情況。進而對振動有害點采取解決措施。
可采取的解決措施主要有:改變管路固有頻率,使之與一階激振頻率錯開±20%以上,主要方法有改變支架布置、改變管路壁厚、外壁包裹減振阻尼改變管路事實壁厚等;加裝阻尼器、彈性支承、彈性吊架,以提供振動變形空間,防止撕裂;加裝蓄能器,以平緩管內(nèi)介質(zhì)的振動;優(yōu)化管路布置、增加管徑、減少彎頭、管徑突變,以減少振動;減少激勵源的激勵;減少管路插入元件,或采用低阻尼元件。具體應根據(jù)實際情況具體分析。
本文主要提供的壓力管路振動定性和定量評估方法同樣也適用于被動評估。在壓力管路振動故障發(fā)生后,通過以上方法可以快速確定故障原因,并在采取措施后通過以上方法進行評估處理,以較快地進行故障處理。
本文的研究便于相關設計人員在進行船舶管路系統(tǒng)設計時,采用一種相對簡單易行的方法,對管路振動故障發(fā)生的可能性進行主動或被動評估,以盡量避免故障發(fā)生。