某蒸汽管段的振動及減振分析

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)振動的原因主要有管道內(nèi)流體流動狀態(tài)的變化、動力機(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 動態(tài)分析

利用 CAESARⅡ?qū)υ撜羝艿肋M(jìn)行動態(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。

4 管道振動原因

引起管道及其附屬設(shè)備振動的因素包括很多，但主要是由于流體在管道內(nèi)流動過程中，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和低頻振動，并呈現(xiàn)不同的振幅和頻率交替變化[1]。振動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。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。