管線振動問題的有限元分析及解決案例

陳雪松

(大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院,遼寧大連　116600)

管線振動問題的有限元分析及解決案例

陳雪松

(大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院,遼寧大連116600)

針對煉廠常見的管線振動情況,采用振動理論分析得出管線系統(tǒng)振動的主要原因是管線內(nèi)介質(zhì)脈動頻率與管系振動固有頻率重合所引起的,提出通過改變支撐結構,進而改變管系固有頻率,以避開管線內(nèi)介質(zhì)脈動頻率,達到消除管線振動的方法,并利用Ansys有限元分析軟件模擬管線固有頻率在改造前后的變化和相應應力、位移情況,找出最佳解決方案。

管線振動Ansys有限元分析

某廠加氫加熱爐出口管線自安裝后運行后即出現(xiàn)劇烈振動的現(xiàn)象，影響了正常的安全生產(chǎn)。

管道實際結構及位置見圖1。

1　振動原因分析

振動理論簡述[1]，物體的振動是指物體在穩(wěn)定平衡位置附近作運動的過程。工程中最常遇到的簡單振動系統(tǒng)，如圖2所示的簡單自由振動系統(tǒng)，即質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)。物體的質(zhì)量為M，系統(tǒng)的剛性系數(shù)為K。

圖1　加氫加熱爐出口管線

圖2　簡單自由振動系統(tǒng)

圖3　原布置管線有限元網(wǎng)絡圖

當質(zhì)量M受到一個瞬時干擾(或激發(fā))時，M就離開平衡位置而產(chǎn)生振動，這種振動稱為自由振動，此時的振動頻率稱為固有頻率，并用f表示，對單自由度質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)固有

但是，對復雜系統(tǒng)而言，固有頻率不是只有一個，而是有多個。

如上圖所示系統(tǒng)自由振動的動力學方程為:

方程的解為

式中Az---振幅;ω---振動系統(tǒng)的固有頻率，fπω 2=;θ---初始相位角;t---時間;

自由振動是由于激發(fā)或干擾而導致的，振動系統(tǒng)受到持久性、周期性干擾而導致振動系統(tǒng)作受迫振動，工程上的絕大部分是受迫振動。當圖2系統(tǒng)中質(zhì)量M受到周期干擾力作用后，質(zhì)量產(chǎn)生受迫振動，在受迫振動情況下，振動系統(tǒng)頻率與激發(fā)頻率一致。

由上分析可知管線系統(tǒng)振動的主要原因是管線內(nèi)介質(zhì)脈動所引起的。因此，改變管線系統(tǒng)的固有頻率，使之遠離介質(zhì)脈動頻率，是解決管線振動的根本方法。

2　原布置管線振動分析數(shù)學模型建立

計算采用ANSYS工程計算軟件對管系進行模態(tài)及結構靜力學的有限元分析。

圖4　原布置管線的二階固有頻率f2對應的振型圖

圖5　改造后管線的二階固有頻率f2對應的振型圖

數(shù)學分析模型選擇軟件自帶的專用Pipe16、Pipe18單元生成直管和彎管部分，手動確定相應節(jié)點、單元的位置及連接，分析時考慮的載荷包括:內(nèi)壓、溫度載荷、自重等(后面的載荷計算中均考慮上述載荷)，由于采用Pipe單元直接生成方式，比較一般的由實體生成單元的方式，計算量明顯減少，精度又不會受到影響。[2]

利用ANSYS軟件建立的數(shù)學分析模型如圖3所示。

3　原布置管線振動原因分析及其計算

3.1原布置管線系統(tǒng)各階固有頻率及相應的振型

原布置管線固有頻率的計算，利用Ansys有限元程序對原管線進行振動分析，得到原布置管線各階固有頻率為:

其中，f1～f5分別為原布置管線的一階至五階固有頻率。

3.2原布置管線固有頻率對應的振型圖

根據(jù)有限元分析計算，可得到各階固有頻率對應的振型圖。比較實際振動情況，可知原布置管線的二階固有頻率為實際管系固有頻率，下圖為對應的振型圖4。(黑色為管線原形，彩色為管線振動形態(tài))

3.3原布置管線位移、應力計算

利用Ansys有限元程序對原布置管線進行位移、應力計算得到原布置管線的X方向最大位移ux，Y方向最大位移uy，Z方向最大位移uz，最大總位移usum、Von m ises最大當量應力seqv。

4　出口管線振動改造方案

采用改變原管線布置結構和數(shù)量的方案，使管線的振動頻率遠離該振動范圍的固有頻率，從而防止管線振動。嘗試不同方案后最終選取方案為:不改變管線結構，在出輻射室的豎直管線段中間處加僅有軸向自由度的約束。

在出輻射室的豎直管線段中間處增加4根角鋼相互焊接成矩形框來控制管線的位移。

4.1改造后管線各階固有頻率的計算

通過Ansys有限元程序分析計算可得到改造后管線各階固有頻率如下:

4.2改造后管線各階固有頻率對應振型圖

根據(jù)有限元分析計算，可得到各階固有頻率對應的振型圖。以改造后管線的一階固有頻率f2為例，見圖5對應的振型圖。

由振型圖可以看出，振型均偏離原結構振型，且管線改造前后振動區(qū)固有頻率提高了6.25倍，從而避開了改造前共振區(qū)頻率，能有效的消除管線的振動。

4.3改造后管線位移、應力計算

對改造后管線進行應力分析，通過計算可得到原布置管線的X方向最大位移ux，Y方向最大位移uy，Z方向最大位移uz，最大總位移usum、Von m ises最大當量應力seqv。

5　結語

通過上述改造方法的計算分析，可有效的解決原管線結構振動問題。

[1]李欣業(yè),張明路.《機械振動》.清華大學出版社.

[2]易日.《使用ANSYS 6.0進行靜力學分析》.北京大學出版社.