管道振動(dòng)分析技術(shù)：機(jī)械振動(dòng)和流致振動(dòng)

2017-10-06  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

管道振源

機(jī)械導(dǎo)致的振動(dòng)分析

機(jī)械導(dǎo)致的管道振動(dòng)主要有兩種原因:

• 通過管嘴直接傳到管道;

  
  

• 通過安裝在橇裝設(shè)備上的支撐或剛度低的基礎(chǔ)傳到管道上。

如果轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備動(dòng)平衡差,它的振動(dòng)頻率是旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率;如果轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備沒有牢固固定在基礎(chǔ)上,比如有某個(gè)螺栓沒有固定好,它也會(huì)以旋轉(zhuǎn)軸的頻率振動(dòng);如果設(shè)備振動(dòng)頻率接近管道固有頻率,管道發(fā)生振動(dòng),同時(shí)會(huì)放大泵或壓縮機(jī)的機(jī)械振動(dòng)。

激發(fā)頻率:

分析時(shí),確定主要振動(dòng)頻率和振動(dòng)方向后進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析,并進(jìn)行評價(jià)。

流致振動(dòng)分析

1

流體分析

主要內(nèi)容:確定流體激振頻率、激振力。

往復(fù)機(jī)、離心機(jī)出口的壓力脈動(dòng)

泵、壓縮機(jī)以平均壓力P輸送流體,當(dāng)葉片通過出口管嘴或活塞完成一個(gè)沖程,下游流體會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正弦壓力波動(dòng)dP。連續(xù)排出的流體導(dǎo)致周期的壓力P+dP沿著管子向下游傳播,在方向改變或橫截面變化的位置產(chǎn)生一個(gè)不平衡力。通常,離心機(jī)產(chǎn)生的力很小,除非管道柔性較大,一般不會(huì)導(dǎo)致管道明顯振動(dòng),但對于往復(fù)機(jī),將會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。

壓力脈動(dòng)頻率

壓力脈動(dòng)頻率

注:RPM為每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù);CPM為每分鐘活塞完成沖程的個(gè)數(shù)。

注:RPM為每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù);CPM為每分鐘活塞完成沖程的個(gè)數(shù)。

分支處的湍流:

在流體剪切層,靠近壁面的流體流速低、遠(yuǎn)離壁面的流體流速高,在分支處流體剝離,形成渦流。渦流對支管內(nèi)的流體產(chǎn)生周期性擠壓,從而引起管道振動(dòng)。渦流引起的壓力波動(dòng)也可能引起安全閥打開。

儀表套管等障礙物處的湍流:

流體在流過儀表套管等障礙物處,障礙物后方也會(huì)產(chǎn)生渦流,從而導(dǎo)致障礙物振動(dòng)。

2

聲學(xué)分析

主要內(nèi)容:確定管內(nèi)流體聲學(xué)固有頻率及聲學(xué)響應(yīng)。

聲學(xué)固有頻率:

簡單管道:

一端聲學(xué)開口,一端聲學(xué)閉口:

兩端聲學(xué)閉口:

復(fù)雜管道:通過轉(zhuǎn)移矩陣法或有限元法計(jì)算。

聲學(xué)響應(yīng):

當(dāng)渦流脫落頻率與流體聲學(xué)固有頻率相同或接近時(shí),流體便發(fā)生共振,支管內(nèi)流體壓力的不均勻度會(huì)達(dá)到一個(gè)極大值。

對于天然氣,阻尼比非常小,當(dāng)氣柱發(fā)生共振時(shí),聲壓值會(huì)放大上百倍。

聲壓分布

氣柱共振時(shí)的激振力

3

管道結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析

主要內(nèi)容:通過ANSYS、CAESAR II等有限元分析軟件進(jìn)行管道受迫響應(yīng)分析,計(jì)算振動(dòng)幅值、交變應(yīng)力。

振動(dòng)評價(jià)

1

設(shè)計(jì)階段

API618振動(dòng)準(zhǔn)則:

頻率低于10Hz,許用振幅為0.5mm峰-峰值;頻率在10~200Hz,許用振動(dòng)速度約為32mm/s峰-峰值。

進(jìn)行管道系統(tǒng)疲勞分析:

2

現(xiàn)場振動(dòng)問題

經(jīng)驗(yàn)圖標(biāo):

結(jié)合現(xiàn)場振動(dòng)測量數(shù)據(jù),建立管道振動(dòng)分析模型,進(jìn)行疲勞分析,評價(jià)管道振動(dòng)水平。

振動(dòng)預(yù)防和緩解

1

對于機(jī)械導(dǎo)致的振動(dòng)

• 確保管道不發(fā)生共振;

  
  

• 增加剛性支撐、防振支撐消減振動(dòng);

  
  

• 管嘴處采用軟連接,如波紋管或編織軟管(受流體性質(zhì)和壓力的限值)。

2

對于流致振動(dòng)

減小或消除流體激振:

• 優(yōu)化管道布置,盡量減少脈動(dòng)的產(chǎn)生。

  
  

• 設(shè)置導(dǎo)流板,減小或消除湍流。

控制管道結(jié)構(gòu)固有頻率:

使管道結(jié)構(gòu)固有頻率與流體激振頻率錯(cuò)開,避免管道發(fā)生機(jī)械共振。盡量減少彎管、異徑管等產(chǎn)生振動(dòng)激振力的元件。

控制流體聲學(xué)響應(yīng):

• 盡可能避開低階聲學(xué)共振。

  
  

• 設(shè)置脈動(dòng)緩沖裝置或提高脈動(dòng)緩沖效果。

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