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流體分析
管道振動分析技術(shù)：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(dǎo)致的振動分析
機械導(dǎo)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(shè)備上的支撐或剛度低的基礎(chǔ)傳到管道上。
如果轉(zhuǎn)動設(shè)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(shè)備沒有牢固固定在基礎(chǔ)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(shè)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(yīng)分析,并進行評價。
流致振動分析
主要內(nèi)容:確定流體激振頻率、激振力。
往復(fù)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(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(dǎo)致管道明顯振動,但對于往復(fù)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(dǎo)致障礙物振動。
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算。
聲學(xué)響應(yīng):
當渦流脫落頻率與流體聲學(xué)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(yīng)分析,計算振動幅值、交變應(yīng)力。
振動評價
1
設(shè)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(yù)防和緩解
1
對于機械導(dǎo)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(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(xué)響應(yīng):
-
盡可能避開低階聲學(xué)共振。
-
設(shè)置脈動緩沖裝置或提高脈動緩沖效果。
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