管道振动分析技术：机械振动和流致振动

2017-10-06  by:CAE仿真在线  来源:互联网

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

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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

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。

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:

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:

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。

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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:

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:

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

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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

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设计阶段

API618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:

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现场振动问题

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

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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)。

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对于流致振动

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:

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振。尽量减少弯管、异径管等产生振动激振力的元件。

控制流体声学响应:

• 尽可能避开低阶声学共振。

  
  

• 设置脉动缓冲装置或提高脉动缓冲效果。

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