減壓閥后管道振動失效分析和應對方法

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

氣體系統經過減壓裝置(如減壓閥、控制閥和孔板)時，會產生高頻率的聲學能量，它和壓差、流量成正比，高頻的聲學能量以聲波的形式在管道內傳播，激發出管道高階的振動模態，振動形式從梁振動模態轉化為殼體振動模態。這種類型振動由于頻率很高、振幅很小，不易觀察，但由于頻率很高，在管道連接的應力集中處產生高的動態應力水平，使連接處很容易達到疲勞極限，引發疲勞裂紋，形成泄漏，造成管道失效。我們稱這類振動為聲學誘導振動，英文為acoustically induced vibration(簡稱AIV)。管道在422HZ時的管道殼體振動模態見圖1，從中可以看出，在支管處的應力水平最大，并且管道的模態變形十分劇烈，階次很高。

圖1 管道殼體振動模態

1 管道殼體振動失效的相應國際標準

由于振動頻率過高，在高頻率處模態振型相對集中，避開共振模態的方法并不合適，故只能在降低其振動的聲學能量方面入手。現代工業由于現場情況復雜，流量隨時變化，條件也各不相同，為了能得到相對準確的數據，工程師主要從各項案例中總結經驗公式并進行推廣應用。1982年，Carucci和 Mueller[1]在美國ASME標準上對這一振動疲勞問題進行了分析總結，歸納了36個減壓系統案例，其中，9個產生疲勞失效的案例，用A-H表示，其他未失效案例用數字1-27表示，計算出各案例聲學能量和管道直徑的關系，并定出疲勞的分界線，當高于這個標準時，管道易出現疲勞實效(見圖2)。由于工業界數據獲取困難，這成為以后工業標準的理論和實踐基礎。

圖2 聲學誘導振動設計標準

1999年，英國海軍技術委員會(MTD)發布GuidelinesforAvoidanceofVibrationInducedFatigueinProcessPipework，2008年，英國能源學會Energy Institute對其進行更新并發布了第二版[2]。這一標準是針對日益增加的流程管道失效故障制訂，對各類失效問題進行分類，并提出相應的設計，變更方案，保障管道有效運行。針對AIV，標準提供了如下聲能計算公式——聲功率級PWL的表達式，此公式應用于計算減壓閥等源頭處的聲能。

(1)

其中，P1為裝置上游壓力，MPa；P2為裝置下游壓力，MPa；W為質量流量，kg/s；Te為上游溫度，K；MW為摩爾質量，g/mol；SFF=6，流速為臨界流速，SFF=0，流速小于臨界流速。

當PWL計算值小于155dB時，系統被認為是安全的；當計算值大于155dB時，需根據文獻2的表格 T2-6進行進一步校核分析，標準定義無量綱數LOF (Likelihood of failure)，稱為失效系數，具體應用見圖3，具體分析方法參見文獻2。

圖3 聲學誘導振動簡化分析流程

對于減壓閥后不連續處的聲能計算應用公式(2)，可以看出，不連續處距離越遠，管徑越小，可以減小聲能。

(2)

其中，L為管道長度，m；D為管道內徑，m。

2 降低管道AIV的改進方法

對于LOF值不大于1的管系，增加管道壁厚是一個簡單有效降低LOF值的方法，Eisenger[3]根據文獻1，得出了聲能與徑厚比的關系(見下式與圖4)，可以不通過表格 T2-6復雜的計算，就能對系統進行簡單判斷，節省0.5

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(3)

其中，D為主管外徑；t為主管壁厚。

圖4 徑厚比在聲學誘導振動設計標準中的應用

標準主要從兩方面介紹了改進方法：一是減少激發能量；二是減小系統響應。降低管道AIV的改進方法見表1。

表1 降低管道AIV的改進方法

從管道方面主要可以從改變管道長度、改變壁厚和減少系統不連續位置這三方面入手。如果增加壁厚可以使LOF降到0.5以下，應使用增大壁厚的方法，但根據BP公司設計規定，最大壁厚大于19mm(3/4″)的情況不常見。

一般的配管方法是在減壓閥后逐級變徑匯入總管，這帶來兩點問題：一是多處變徑帶來多處焊接點，易失效位置增加；二是管徑變大，D/t變大，通過式(2)得出系統承受破壞能力減弱，多次現場管道泄漏都發生在這些變徑處，故應使不連續處盡量遠離減壓源頭，即最好只在匯入主管處有三通接頭，中間不變徑。

3 具體應用方法

英國BP公司將這一標準引入企業設計管理規定，并將其應用于實際工程設計之中。具體計算方法如下(案例見圖4)：管道介質在安全閥后進行減壓，首先進入DN200管道，然后變徑為DN400，最后匯入DN600總管，壁厚為標準壁厚std。工藝參數見表2。

圖4 減壓管道示意

其中，P1為裝置上游壓力，3MPa(a)；P2為裝置下游壓力，0.1MPa(a)；W為質量流量，38.89kg/s；Te為上游溫度，313K；MW為摩爾質量，20.3g/mol；SFF=6，流速為臨界流速，SFF=0，流速小于臨界流速，0。

整個計算分3個部分：首先計算安全閥后DN200管道的聲學能量，然后計算DN400管道，最后計算DN600總管。

3.1 計算安全閥后DN200管道

+126.1+SFF

由于171>155，所以需應用EI標準對其進行進一步計算，利用文獻2中T2-6 計算得到：

D=219;d=219;S=65.1;B=160.2;

N=8.3x107;FLM1=1.75;

FLM2=1;FLM3=1N=1.4x108

計算LOF值：

LOF=-0.130 3×ln(N)+3.1=0.7>0.5

由于LOF值大于0.5，對管道應進行改進，通過將壁厚從std變為40s，重新計算后LOF<0.5，計算通過。

3.2 計算DN400管道聲學能量

由于168>155，所以需應用EI標準對其進行進一步計算，利用文獻2中T2-6 計算得到：

D=406;d=219;S=49.3;B=161.5;

N=4.5x107;FLM1=1.34;

FLM2=1;FLM3=1;N=5.9×107

計算LOF值：

LOF=-0.130 3×ln(N)+3.1=0.8>0.5

由于LOF值>0.5，對管道應進行改進，通過將壁厚從std變為40s，重新計算后LOF<0.5，計算通過。

3.3 計算DN600管道聲學能量

由于159>155，所以需應用EI標準對其進行進一步計算，利用文獻2中T2-6 計算得到：

D=610;d=406;S=27.9;B=158.3;

N=6.5x108;FLM1=1.44;

FLM2=1;FLM3=1;N=9.3×108

計算LOF值

LOF=-0.130 3×ln(N)+3.1=0.4<0.5

綜上可知，此管系需將安全閥后的DN200和DN400管道壁厚增加到40s，DN600管道不需要進行修改。

4 結語

本文主要針對減壓裝置后管道疲勞破壞進行分析研究，結合現有國際標準，對國際上的減壓裝置疲勞設計方法進行著重介紹，并解釋了其理論基礎，分析了其設計要點，最后通過案例對使用方法進行詳細分析， 通過實例計算對管道進行優化設計，并最終應用于實際工程項目之中。