某蒸汽管段的振动及减振分析

战海云

(中海油石化工程有限公司,山东 青岛 266061)

引起管路系统振动的原因主要有管道内流体流动状态的变化、动力机械对管道系统的影响、管道的节流元件、管道内流体的流速、管道的约束条件等。在实际的管道安装设计过程中，设计人员改变管道系统振动的途径主要通过改变管道的固有频率和设计阻尼装置来实现。本文利用CAESARⅡ对某炼油厂的某段蒸汽管道进行建模，并根据实际情况增加限位约束。然后对管道进行静态和动态分析，找出振幅较大点并对整个管道系统进行模态分析。

1 管道模型

利用CAESARⅡ对某炼厂的蒸汽管道系统进行建模(图1)，输入相应的参数，主要参数信息包括：管道材料参数以及约束信息、管道空间走向、操作条件、保温层的参数、节点数与管道长度、管截面参数、操作工况、选择材料类型等。表1为该蒸汽管道的主要参数。

图1 基于 CAESARII软件建立的蒸汽管段模型

类型材料外径/mm管壁/mm温度/℃压力/MPa管道10GrMo910406.414.25402.93保温CaSiO3170

2 静力分析

利用CAESARⅡ对蒸汽管道进行静态分析，得出的一次和二次应力应满足ASME B31.3 的设计要求。表2为该蒸汽管线CAESARⅡ应力计算分析结果。

表2 CAESARⅡ应力计算分析结果

3 动态分析

利用 CAESARⅡ对该蒸汽管道进行动态分析，得到该管道前6阶的固有频率。表3为该蒸汽管段前6阶的固有频率。

表3 蒸汽管段前6阶固有频率

《SH/T 3108-2017 石油化工全厂性工艺及热力管道设计规范》中明确规定，蒸汽管道的固有频率不得小于 2.5Hz。通过动态分析发现该管段的前6固有频率均小于这个数值。同时发现，固有频率越低越容易发生振动。

4 管道振动原因

引起管道及其附属设备振动的因素包括很多，但主要是由于流体在管道内流动过程中，由于管径及弯头的变化使得流体的压力、密度、流速等产生变化，形成紊流。紊流能引起高频振动和低频振动，并呈现不同的振幅和频率交替变化[1]。振动是管道上的交变载荷。当管道系统的任何固有频率与激励频率相等或接近时，将发生共振[2]。

通常设计院在对管道进行安装设计时，大多通过设计弹簧支吊架来提高管道的热胀补偿，但是这样的设计会降低管道的固有频率。如果在低频激励条件下，可能发生低频共振。另外，如果在管道上设计弹簧支吊架过多固定支架及限位支架较少会使得管道缺少必要的刚性约束，从而降低稳定性，这样也起不到限制管道振动的效果。

5 减振措施分析

图2 蒸汽管段减振布置点

项目一次应力二次应力规范应力最大值/MPa40.13122.88最大值位置#130 #739 许用应力/MPa51.97211.76应力比/%77.258.00

通过CAESARⅡ对该蒸汽管段进行静态和动态分析的结果显示，该蒸汽管道的固有频率较低，因此进行减振分析时，主要通过调整增加固有频率来降低管道的震动。通过在 111、222 这两处设 X向和Z 向阻尼，在 333、444设 Z 向同向阻尼，在 555、666 处设 Z 向同向阻尼，在 777、888处设 X向和Z向向双径向限位。图 2为该蒸汽管段的减振布置点，表4为静力分析结果，表5为模态分析结果。

表5 管道前6阶固有频率(加阻尼)

对计算结果进行对比分析发现通过增加阻尼后以及不加阻尼的情况下，管道的位移变化不大，一次和二次应力稍微偏大，管道系统前6阶的固有频率相对增大。分析还发现，位移约束对该蒸汽管道系统的模态起到明显效果，将 333、444的阻尼设定成轴向的位移约束(位移27 mm)，其它6个节点的约束位置不变，再利用 CAESARII应力分析软件进行分析，分析位移约束大小影响管道应力和固有频率的大小。本文设计的位移约束分别为 5、10、20、26 和30 mm。表6为应力计算的结果，表7为加阻尼和位移约束后的前 6 阶固有频率，表8为位移约束对一次、二次应力和频率的影响。

表6 加阻尼和位移约束后的应力计算结果

表7 加阻尼和位移约束后的前 6 阶固有频率

表8 位移约束对一次、二次应力和频率的影响

分析结果发现，位移约束使得该蒸汽管线的一次应力增加，二次应力减小，固有频率增加。如果管道蒸汽运行，该管道的节点的最大位移由原来的257.258 mm变到26.427 mm，位移相差230.831，大大的降低了管道变行风险。在管道上加不同的约束，结果不一样。位移约束越多，一次应力增加越明显，二次应力减小越明显，而位移约束对该蒸汽管道的固有频率没有明显的影响。管道位移约束和阻尼使得固有频率增加但减少了由激励频率和固有频率的近似引起的共振。因此在实际设计安装过程中，同时对该管道加阻尼和位移约束，这样不仅可以提高该蒸汽管线的固有频率，又可以降低二次应力，减少管道的位移，降低管道变形的风险。

6 结论

利用CAESARⅡ对某炼油厂的某段蒸汽管道进行静态和动态分析。得到了该管道的最大位移，应力和固有频率。然后，利用该软件对管道系统的减振进行了分析，得到了改变管道阻尼对一次应力，二次应力和固有频率均有影响。分析发现如果增大阻尼和位移约束，一次应力和固有频率增加。频率增加，二次应力减小，节点最大位移减小。位移约束的增加，一次应力增加，二次应力减小，固有频率不变。根据分析结果，对该蒸汽管道提出减振的建议，通过提高该蒸汽管线的固有频率来降低其热膨胀和位移二次应力。