技术贴 | 管道高频振动量化评估方法

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本文给大家介绍一个研究项目，名为“声致振动：改进LOF计算”。该项目的目的是分析管道不连续部位的疲劳现象，以提高控制措施的效率，并更准确地评估管道不连续处的风险。项目期间，研究了几种类型的管道不连续结构：支架、旁支管、小口径管道连接，以及延伸管道、旁支管声传播等问题，成功开发了“管道高频振动量化评估方法”。

    一、研究背景    

管道系统中的声致振动 (AIV) 是指高声强激发管道壳体振动模态，产生过大的动态应力从而导致管道失效。宽频和高频激励通过管道传播，被环向声管道模态放大，最终激发管道的壳体振动模态。当激励作用于非轴对称不连续（支管、小口径管、支架……）时，振动会放大，产生高动态应力，从而导致管道疲劳失效。由于这些振动发生在高频段，即具有高周疲劳特点，可能在几分钟到几小时内发生疲劳失效。

图1 声致振动示意图

声致振动自70年代末首次发表以来，一直是一个持续的研究课题，并且已经开发出方法来帮助工程师评估这种风险。主导方法是能源研究所发布的方法，此方法在快速筛查大量管道方面非常有效。然而，因为某些控制措施的效率不是失效可能性 (LOF) 计算参数，因此无法评估各种控制措施的实际效果。在这里，提到的是能够量化评估管道高频振动及控制措施效果的技术方法。

    二、解决方案    

这种新方法仍然使用有限元分析方法进行流体/结构耦合仿真。在管道入口处定义减压装置产生的声能，计算声波传播及管道不连续处的动态应力。

图2 流体/管道结构有限元模型示例

通过基于现场测量的实际案例研究，说明了该方法的可行性。本文展示三个现场案例。

案例1：计算方法可行性验证：管道支架裂纹现场案例

在浮式生产储油船上对火炬网络管道失效进行的振动诊断。在燃烧过程中，经过很短的时间后，与16” 管道下游压力控制阀相连的两个支架出现裂纹。图3为管道布置及裂纹位置，显示其中一个支架的管道布置和裂纹位置。

图3 管道布置及裂缝位置

针对管段裂纹处周围进行的振动测试表明，阀门工作时大部分的振动能量（导致疲劳失效）是因为管道壳体振动模态被激励引起的。因此，声致振动是管道失效的原因。

建立管道内流体/气体的有限元模型（图4），计算150~3000Hz的声压分布。

图4 管内声压分布云图 (Pa，470Hz)-低于阈值频率（平面波声模态）

图5 管内声压分布云图 (Pa，980Hz)-高于阈值频率（环向声学模态）

利用之前计算的声场和声学有限元模型，对管壁振动进行了预测，并与实测结果进行比较。为此，建立了结构有限元模型，如图6所示，包括管道、支架、阀门、法兰等部位。预测管壁和管道不连续处的振动和应力水平。

图6 管道结构有限元模型

图7 管道变形 (770Hz)

振动传感器沿管道放置在多个截面上（图8），使用振动测量结果进行验证。

图8 振动加速度计安装位置

在裂纹萌生的管道截面处测量振级，计算应力水平，并将其与BS7608中的疲劳限值进行了比较：

  · 在第一个支座焊缝处（裂纹萌生位置）：支架1（参考图7）；

  · 下一个支座处（无裂纹萌生）：支架2（参考图7）。

从有限元模型中提取最大主应力，并绘制图9频谱曲线。

图9 支架1（蓝色，裂纹萌生）和支架2（橙色）裂纹萌生位置的法向应力PSD曲线

支架A上出现裂纹，支架B上未报告裂纹萌生。图9中的应力仿真结果与现场发生的情况一致，支架B处的最大应力水平远小于支架A处的最大应力水平。

计算得到的总均方根值为11.5MPa，对应于68.9MPa的最大峰值，超过了从BS7608曲线F2提出的107次循环的35MPa疲劳限值。该方法的仿真计算结果与疲劳失效预测结果一致。振动测量和计算结果之间的一致性，验证这种方法的可靠性。

案例2：量化评估控制措施效果方法开发及验证--小口径管道连接&三通连接验证案例

虽然有限元分析为评估管道不连续性的声致振动风险提供了详细和精确的结果，但这种方法由于经济性原因在项目设计中不能广泛应用。为了克服这一点，可用一种新的解析方法，用很少的参数来预估声致振动的风险。本文选择了声致振动分析过程中可能遇到的两个典型案例。

(1) 阀门尾管上的小口径管道连接 (SBC)

许多用于不同目的的小口径管道连接，可在阀门尾管附近找到。下面评估的案例是一个16”直径的SCH 40s排气管，带有一个1”SCH 40s直径的小口径管道连接及一个净化阀和盲法兰。研究了以下结构：

  · 使用法兰接头（基本结构）；

  · 使用镶入式支管嘴（第一个控制措施）；

  · 使用带全套衬垫的法兰接头（第二个控制措施）。

(2) 阀门尾管90°三通连接

研究声致振动时，另一个管道不连续性产生的声源是当阀门尾管连接到另一个管道或总管时。下面评估的案例是一个12”直径的总管和一个8”直径的尾管，90°三通连接。研究了以下结构：

  · 使用无筋装配式三通（焊缝，基本结构）；

  · 使用锻造对焊三通（第一个控制措施）；

  · 使用带有全套衬垫的预制三通（第二个控制措施）。

表1 有限元模型

模型中研究的焊缝为全熔透焊缝，用壳体单元模拟管道和焊接接头的中表面，采用壳单元模拟焊缝并考虑焊缝厚度。

采用热点应力进行疲劳分析，在0.5t和1.5t（t=板厚）的指定参考点处，通过线性外推确定热点应力。

图10 标准案例的焊接模型

为了量化各控制措施降低的风险，比较初始设计案例与各控制措施的使用。对于每个有限元模型，使用所研究的方法输入相同的标称声压级，并计算每个工况的最大热点应力。表2给出了应力降低比例。

图11 小口径管道连接控制措施的应力PSD响应

图12 三通控制措施的应力PSD响应

表2 应力降低比例

能源研究所指南的第一步是计算一个表示失效前循环次数的数字N。利用这个数字，计算LOF值。

LOF等于1相当于107个周期（疲劳极限）的名义疲劳寿命 [Swindell，2012]。如果计算出的失效前循环次数 (N) 大于107，则LOF小于1。这些曲线和应力降低比例可以实现预估新的疲劳失效前循环次数和LOF值。此方法用于2个案例，初始工况的LOF值为1。结果见表3。

表3 更新的LOF值

当严格按照能源研究所指南时，每种工况预测的LOF值相同，但应用这种新方法可以用更新的LOF值量化每种设计改进方案。现在可以合理证明每项控制措施的影响，工程师可以比以前更有信心地使用控制措施。

       三、总结      

本文介绍的有限元方法与现场测量结果相比，具有很好的一致性，这种方法是进行比较分析的可靠方法。

使用这种方法，可以评估声致振动控制方案的直接影响。使用一些最常见的风险解决方案，进行了量化分析，证明了每个解决方案的LOF值的降低。然而，本文中研究的工况是针对于某种模型属性的（仅对一个管道尺寸和工艺参数有效，特定的支管形式…），为每个控制措施推导出一个总LOF值改变量，必须建立和分析一整套模型。

来源：管道振动技术微信公众号，作者：懿朵科技。