MATLAB在管道振动速度限值计算中的应用

2018-12-28刘明利付江永王新阳

山东电力高等专科学校学报 2018年6期

刘明利，付江永，王新阳

（山东核电有限公司，山东烟台 265116）

0 引言

与旋转机械相比，管道振动的测量和评价方法截然不同，除在测点选取、数据处理等方面的不同外，由于每一条管道在结构、介质、工况等诸多方面都不尽相同，所以管道振动没有整齐统一的评价标准，其评价数值是因管道而异的。所以，在进行管道振动的评估之前，首先要做的就是计算管道振动的限值。本文参考《核电站管道系统试运行及启动过程中的振动测试要求标准》（ASME OM-S／G—2000 PART3），法国EDF标准，利用Matlab软件编制了计算管道振动许用速度限值的程序，并结合现场试验，验证了其准确性［1］。

1 管道振动的评价方法

1.1 ASME允许峰值速度评价方法

ASME OM-3给出了特征管段最大允许振动速度的计算公式：

式中：C1为集中质量修正系数，根据图1中实线取值；C2为二次应力指数；k2为局部应力指数；C2k2取保守值为4；C3为流体及保温层附加质量的修正系数，（w为单位长度的管道质量，kg／m；wins为单位长度的保温层质量，单位kg／m；wf为单位长度的管道流体质量，单位kg／m）；C4为边界条件和管段形状修正系数；C5为振动频率修正系数，当管道特征跨的第一阶固有频率除以测量频率的比值位于1.0至2.0之间时，等于上述比值，当比值小于1.0时，C5取值为1.0，当比值大于2.0时，C5系数不做规定；Sel=0.8Sa，碳钢材料 Sa取 86 MPa，不锈钢材料 Sa取114 MPa。

a为许用应力减弱系数，碳钢取1.3；不锈钢取1.0。

1.2 EDF允许有效速度评价方法

法国电厂多采用法国电力公司（EDF）的经验公式评价管道振动水平，即引入有效值与峰值的转换系数C0=3.5，忽略C5、a的影响，得到允许有效速度为[2]：

式中：C0为峰值-有效值转换系数，取值为3.5；C1为集中质量修正系数，根据图1实线取值；C2为二次应力指数；k2为局部应力指数；C2k2取保守值为4；C3为为流体及保温层附加质量的修正系数。

碳钢材料 Sa取 52 MPa，不锈钢材料 Sa取114 MPa。

EDF得到的管道振动允许有效速度为12.0 mm／s，该值作为法国电厂进行管道振动筛选的限值。如果速度测量值小于12.0 mm／s，可不再予以关注，如速度测量值大于12.0 mm／s需要利用式（2）计算允许有效速度。如果测量值小于Vrmsallow，则振动水平可接受，否则需要进一步分析和评价［3］。

2 利用MATLAB实现速度限值计算

不论是利用ASME标准还是EDF标准在计算C1时，都需要首先计算集中质量与特征跨质量之比，然后通过查找图1确定，C3需要通过计算公式得到，C4值需要根据管道形状选择。这种计算方法使得管道振动的评价工作非常繁琐，特别是对大量的管道进行评定时，将会在计算方面浪费相当长的时间。本文利用MATLAB软件将各个标准的计算方法融合在一个界面上，并且通过选择和输入管道的相关参数，计算许用速度限值，使得管道振动的评定工作变得快速方便。

2.1 C1值的计算

本文利用MATLAB将图1实线置入MATLAB中坐标系，使图1中坐标原点与MATLAB中的坐标系中的原点重合，从而在MATLAB坐标系中读取图1坐标系中的数据。将图1中的数据点取出，利用所得数据点进行最小二乘拟合。拟合结果如图1虚线所示。由此可见，拟合后的数据曲线与原始数据曲线基本重合，可以适用于工程计算。

图1 集中质量影响修正系数C1

2.2 MATLAB可视化界面简介

利用MATLAB软件编制程序，分别将管道材质、管道形状、集中质量、管道参数、管内介质、保温层等相关变量置于程序中。程序分4个模块，其中NB／T是国内最新的标准，对许用速度峰值和许用速度有效值的计算都做了描述，DL／T1103－2009是国内对ASME的翻译版本，其实质与ASME标准一致。可视化界面如图2所示。