有限元数值仿真在解决管道振动中的运用

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我们在《案例分享 | 管道振动现场诊断与改进方案》一文中提到，解决现场管道振动问题，分三步走：

  · 管线振动检查；

  · 管道故障诊断和根因分析 (RCA)；

  · 方案验证评估。

其中第二步，在完成工作变形测试 (ODS)、试验模态测试 (EMA)，识别出故障类型和振动根因后，在现场即可提出改进建议与措施，并进行验证。

然而，由于管道振动问题的多样性和复杂性，有时改进方案的效果难以在现场100%确认，因此，后期需借助有限元 (FE) 数值仿真的方法，建立管线的有限元模型，用测试数据校准有限元模型，完善诊断并更准确地确定可能的解决方案。

项目背景

  · 由于管线整体的运动导致的振动，需要一个以上支架抑制管线振动。

  · 部分管线的位移相当严重，并且所处的位置空间狭窄，难以增加新的支架。

  · 管线和主结构非常近，有必要设计长支架，它们的隔振效率未知。

针对以上问题，我们借助有限元数值仿真的方法，对管道支架进行优化设计，并从动力学角度验证有效性。此项工作可以分为三个阶段：有限元建模、模型标定、解决方案确定。

有限元建模

有限元模型 (FEM) 包含：

  · 高振级关键管线；

  · 管线周围的结构；

  · 结构上的管道支架。

基于Caesar文件进行管线建模。大多数的管线将使用梁单元进行建模，一些管线区域采用壳单元建模评估应力。管线应力分析报告中也必须体现现有管道支架的特点。

完成建模工作需要管道图纸和总装配图，必要时将在模型上增设辅助框架。

模型校准

有限元分析存在数值不确定性，并且设计和制造过程中也会有差异。因此，需通过校准提高有限元模型的精确性。模型校准的目的在于通过调节特定参数，在仿真模型中复现现场观察到的现象。校准分为以下两步：

  · 校准固有模态：管道振动是由于管内流体对结构模态的激励而引起的。因此，计算的模态振型和频率必须与测量所得的模态振型和频率相一致。通常采用调整边界条件的方法（比如调整支架和连接刚度）;

  · 校准激励：与振动最相关的部位（弯头、三通等）处施加激励，复现现场测量时的振级。

管线和支架结构的有限元模型

试验结果校准有限元模型

控制措施确定

管线的有限元模型建好并且校准完毕，可以帮助确定解决方案。

为识别出热点部位，首先计算管线的动态应力。振动引起的主要问题是疲劳失效，评估振动失效风险是十分重要的，并且也是现场测量中非常难以完成的任务（疲劳失效需要应变片，应变片的安装时间很长，而且只能提供局部的信息）。重点关注靠近焊缝的热点位置，因为它们是管路中最薄弱的部位。

如果所计算得到的管线动态应力和期望的管线寿命不匹配，则需要改善这条管线的支架结构。确定最优方案的策略有如下几种：

  · 仅考虑降低模态影响所需的刚度，测试新支撑点的有效性；

  · 设计具有预期刚度的支架。在此阶段，必须清楚看到管线可利用的空间：PDMS文件的模型（Naviswork格式）将有助于避免新增横梁和已有装置间的碰撞；

  · 管路和支架之间连接的设计需要和管路系统的应力分析保持一致，支架要能控制管道振动，并容许管路热膨胀。

来源：管道振动技术微信公众号，作者：懿朵科技。