基于AN石油天然氣標準S的供熱管道系統(tǒng)振動分析及改造

摘 要

摘要：采用ANSYS軟件，針對某工程供熱管道系統(tǒng)發(fā)生的振動進行了模態(tài)分析，分析了管道系統(tǒng)振動的原因，提出合理的改造方案。關鍵詞：供熱管道；振動；固有頻率；激發(fā)頻率Vibration Analysis
摘要：采用ANSYS軟件，針對某工程供熱管道系統(tǒng)發(fā)生的振動進行了模態(tài)分析，分析了管道系統(tǒng)振動的原因，提出合理的改造方案。
關鍵詞：供熱管道；振動；固有頻率；激發(fā)頻率
Vibration Analysis and Reconstruction of Heating Pipeline System Based on ANSYS
YU Yaze，LI Xiaogong
Abstract：The simulation analysis for vibration of heating pipeline system in an engineering is performed by ANSYS software.The reasons for vibration of heating pipeline system are analyzed，and the reasonable reconstruction scheme is put forward.
Key words：heating pipeline；vibration；natural frequency；excitation frequency
    在熱網的管道系統(tǒng)設計中，熱水壓力和流速對管徑的影響和管道的布置是設計的重點，但在設計過程中由于對管道系統(tǒng)的動態(tài)特性考慮不足，易導致供熱管道系統(tǒng)在實際運行中產生振動，而某些劇烈振動會使管道薄弱部位，例如彎頭、變徑管、閥門和管道與支架在連接處產生摩擦，繼而導致管道的松動和損壞，發(fā)生管道斷裂和泄漏，引起嚴重的事故。管道系統(tǒng)產生振動是由于流體受到水泵葉輪的周期性推動，在管道內形成激振引起的，即管道系統(tǒng)固有頻率與激發(fā)頻率接近。本文結合工程實例，采用ANSYS軟件中的模態(tài)分析，對產生振動的管道進行建模和模態(tài)分析，得出不同階段下的管道系統(tǒng)固有頻率，將其與激發(fā)頻率進行比較，以管道固有頻率避開激發(fā)頻率為目的，進行管道系統(tǒng)剛度的提升，有效降低管道的振動。
1 工程概況
    該工程為一級管網的加壓泵站，加壓水泵設置在70℃回水管道上，主管道管徑為DN 1200mm，加壓水泵型號為KQSN600-M9-712，2用1備，并聯(lián)運行，水泵出口管徑為DN 500mm，變徑為DN 600mm后與主管道連接。分別在水泵出口處設置固定支架，對于主管道在泵房結構柱位置設置滑動支架，主管道中間部位設置1個固定支架。在實際運行中，當1臺水泵轉速達到50%時，水泵出口的管道會產生上下振動的現(xiàn)象，達到最大流量后振動現(xiàn)象消失。再開啟另1臺水泵轉速達到50%時，管道又會產生上下振動的現(xiàn)象。
   DN 1200mm的管道壁厚為14mm，DN 600mm的管道壁厚為9mm，DN 500mm的管道壁厚為8mm。運行壓力為1.5MPa，運行溫度為70℃，環(huán)境溫度為10℃，管材物理性能參數見表1[1]。
表1 管材物理性能參數[1]
密度/(kg·m-3)
彈性模量/MPa
線脹系數/K-1
泊松比
7800
19.6×104
1.3×10-5
0.3
2 管道系統(tǒng)模態(tài)分析
2.1 有限元模型建立
    采用ANSYS軟件對設置了支架的管道系統(tǒng)進行模態(tài)分析，計算其固有頻率，然后核查外部激發(fā)頻率與固有頻率是否接近。采用pipe model建立管道系統(tǒng)模型，其中直管采用pipe16單元模擬，彎頭采用pipe18單元模擬，T型管采用pipe17單元模擬，并設置了閥門單元、變徑單元、法蘭單元。根據水泵的運行工況，在不同支管和主管輸入溫度與壓力參數。根據管道系統(tǒng)的原始約束位置，建立有限元模型(見圖1)。
 

激發(fā)頻率f的計算式為：
 
式中f——激發(fā)頻率，Hz
    m——葉輪數量，個，水泵葉輪為6個
    n——水泵轉速，min-1，水泵的轉速為990min-1
   由式(1)計算得到，當一臺水泵轉速達到50%時，激發(fā)頻率為49.5Hz；當水泵轉速達到100%時，激發(fā)頻率為99Hz。當開啟一臺水泵轉速達到100%，再開啟另一臺轉速達到50%時，激發(fā)頻率要考慮3個值：兩臺水泵的頻率(即49.5、99.0Hz)、二者差頻的50%(即24.75Hz)，盡量使管道系統(tǒng)的固有頻率避開這3個激發(fā)頻率。
2.2 模態(tài)分析
   模態(tài)分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用。模態(tài)是機械結構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、模態(tài)振型，這些模態(tài)參數可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。ANSYS軟件提供了7種模態(tài)分析方法，本文選用子空間(Subspace)法，該方法能夠在處理管道系統(tǒng)中幾個固有頻率非常接近時，防止收斂速度過慢，而且計算結果的精度和可靠性較高[2]。
    模態(tài)提取數為16階，前16階管道系統(tǒng)固有頻率見表2。由表2可知，管道系統(tǒng)在第1、7階的固有頻率分別與激發(fā)頻率24.75、49.5Hz接近。第7階的振動位移對應的振型見圖2。振型圖反映的結果與實際情況相符。
表2 前16階管道系統(tǒng)固有頻率
階數
固有頻率/Hz
階數
固有頻率/Hz
1
26.76
9
54.81
2
27.41
10
56.03
3
31.29
11
62.20
4
40.54
12
62.42
5
45.78
13
63.68
6
47.33
14
66.32
7
49.73
15
74.37
8
54.44
16
76.81
 

2.3 管道系統(tǒng)振動的影響因素和減振措施
    該工程中產生管道系統(tǒng)振動的因素有：水泵旋轉運動造成流動的介質產生脈動，脈動壓力迫使管道振動；不同時開啟的水泵加大了管道系統(tǒng)內的壓力不均；熱水介質流過管道上的變徑管、彎頭、閥門和三通處會造成波動，波動引起管道系統(tǒng)振動；管道內溫度和壓力造成的管道應力會使管道系統(tǒng)固有頻率降低；管道系統(tǒng)固有頻率與激發(fā)頻率接近，引起管道系統(tǒng)振動[3]。
    現(xiàn)有管道減振措施有減小共振長度、減少變徑管和彎頭數量、設置孔板、修正支架位置提高管道系統(tǒng)剛度。在該工程中，采用重新修正支架的位置提高管道系統(tǒng)剛度的方法來避免振動。利用ANSYS軟件分析支架設置方式、支架數量和不同位置對管道系統(tǒng)固有頻率的影響，給出合理的減振措施。
改造方案為水泵出口處加固定支架；每個有三通的主管道位置加設固定支架；主管道的彎頭處加設固定支架，這樣能將固有頻率提高，優(yōu)化后的管道系統(tǒng)支架位置見圖3，前16階管道系統(tǒng)固有頻率見表3。由表3可知，管道系統(tǒng)各階固有頻率均有提高，避開了激發(fā)頻率24.75、49.5Hz。
 

表3 優(yōu)化后前16階管道系統(tǒng)固有頻率定支架
階數
固有頻率/Hz
階數
固有頻率/Hz
1
28.05
9
73.34
2
32.16
10
80.35
3
32.96
11
94.31
4
58.06
12
94.31
5
62.80
13
108.73
6
63.89
14
109.74
7
68.95
15
117.48
8
71.O9
16
117.48
    但管道系統(tǒng)的第12階固有頻率接近99Hz，查看振型圖發(fā)現(xiàn)與主管三通連接的直管水平振動位移過大。因此，在修正后支架位置不變的情況下，計算以下3種方案的管道系統(tǒng)固有頻率：①方案1：將水泵與主管連接管道彎頭曲率半徑由1.5倍管徑提高到2.5倍；②方案2：將變徑管DN 600mm擴大為DN 700mm；③方案3：將變徑管DN 600mm擴大為DN 900mm。3種方案的前16階管道系統(tǒng)的固有頻率見表4。由表4可知，方案3能很好地避免固有頻率接近99Hz。采取以上措施后，管道系統(tǒng)未再發(fā)生振動現(xiàn)象。
表4 3種方案的前16階管道系統(tǒng)固有頻率
方案1
方案2
方案3
階數
固有頻率/Hz
階數
固有頻率/Hz
階數
固有頻率/Hz
1
33.55
1
34.99
1
39.93
2
33.55
2
35.14
2
39.93
3
33.55
3
35.16
3
39.93
4
63.83
4
64.81
4
66.13
5
63.83
5
65.07
5
66.13
6
63.83
6
65.10
6
66.13
7
68.58
7
71.80
7
69.18
8
68.58
8
72.13
8
77.15
9
68.58
9
72.17
9
77.15
10
69.18
10
80.35
10
77.15
11
80.35
11
94.31
11
80.35
12
82.32
12
94.31
12
82.32
13
96.69
13
106.11
13
108.76
14
96.69
14
106.53
14
108.76
15
96.69
15
106.58
15
108.76
16
117.48
16
117.48
16
117.48
3 結論
    ① 該工程管道系統(tǒng)的振動主要原因來自內部介質流動造成的激振，當管道系統(tǒng)的固有頻率與激發(fā)頻率接近，會產生振動，特別是兩臺水泵不同時開啟的工況。提高管道系統(tǒng)自身剛度是避免振動的有效途徑。
    ② 當主管道管徑過大時，減小三通位置主管與支管的管徑差能提高管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
    ③ 在泵房設計中，有必要對復雜管道系統(tǒng)進行振動計算，可以避免在運行中發(fā)生管道系統(tǒng)振動。
參考文獻：
[1] 《動力管道設計手冊》編寫組.動力管道設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：277-279.
[2] 王富恥，張朝暉.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：124-144.
[3] 王樂勤，何秋良.管線系統(tǒng)振動分析與工程應用[J].流體機械，2002，30(10)：28-31.
 
(本文作者：于雅澤 李曉恭 中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074)