管道振動分析技術：機械振動和流致振動

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

管道振源

機械導致的振動分析

機械導致的管道振動主要有兩種原因:

• 通過管嘴直接傳到管道;

  
  

• 通過安裝在橇裝設備上的支撐或剛度低的基礎傳到管道上。

如果轉(zhuǎn)動設備動平衡差,它的振動頻率是旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動頻率;如果轉(zhuǎn)動設備沒有牢固固定在基礎上,比如有某個螺栓沒有固定好,它也會以旋轉(zhuǎn)軸的頻率振動;如果設備振動頻率接近管道固有頻率,管道發(fā)生振動,同時會放大泵或壓縮機的機械振動。

激發(fā)頻率:

分析時,確定主要振動頻率和振動方向后進行管道結(jié)構(gòu)諧響應分析,并進行評價。

流致振動分析

1

流體分析

主要內(nèi)容:確定流體激振頻率、激振力。

往復機、離心機出口的壓力脈動

泵、壓縮機以平均壓力P輸送流體,當葉片通過出口管嘴或活塞完成一個沖程,下游流體會出現(xiàn)一個正弦壓力波動dP。連續(xù)排出的流體導致周期的壓力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)生一個不平衡力。通常,離心機產(chǎn)生的力很小,除非管道柔性較大,一般不會導致管道明顯振動,但對于往復機,將會產(chǎn)生明顯的振動。

壓力脈動頻率

壓力脈動頻率

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。渦流引起的壓力波動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,障礙物后方也會產(chǎn)生渦流,從而導致障礙物振動。

2

聲學分析

主要內(nèi)容:確定管內(nèi)流體聲學固有頻率及聲學響應。

聲學固有頻率:

簡單管道:

一端聲學開口,一端聲學閉口:

兩端聲學閉口:

復雜管道:通過轉(zhuǎn)移矩陣法或有限元法計算。

聲學響應:

當渦流脫落頻率與流體聲學固有頻率相同或接近時,流體便發(fā)生共振,支管內(nèi)流體壓力的不均勻度會達到一個極大值。

對于天然氣,阻尼比非常小,當氣柱發(fā)生共振時,聲壓值會放大上百倍。

聲壓分布

氣柱共振時的激振力

3

管道結(jié)構(gòu)振動分析

主要內(nèi)容:通過ANSYS、CAESAR II等有限元分析軟件進行管道受迫響應分析,計算振動幅值、交變應力。

振動評價

1

設計階段

API618振動準則:

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

進行管道系統(tǒng)疲勞分析:

2

現(xiàn)場振動問題

經(jīng)驗圖標:

結(jié)合現(xiàn)場振動測量數(shù)據(jù),建立管道振動分析模型,進行疲勞分析,評價管道振動水平。

振動預防和緩解

1

對于機械導致的振動

• 確保管道不發(fā)生共振;

  
  

• 增加剛性支撐、防振支撐消減振動;

  
  

• 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

減小或消除流體激振:

• 優(yōu)化管道布置,盡量減少脈動的產(chǎn)生。

  
  

• 設置導流板,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開,避免管道發(fā)生機械共振。盡量減少彎管、異徑管等產(chǎn)生振動激振力的元件。

控制流體聲學響應:

• 盡可能避開低階聲學共振。

  
  

• 設置脈動緩沖裝置或提高脈動緩沖效果。

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