基于动力学特性的管道系统振动分析与控制.pdf

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1、278化工机械2015正基于动力学特性的管道系统振动分析与控制。徐仁军”1曹马林2史蓓君3刘麟3(1．江苏省特种设备安全监督检验研究院常州分院；2．江苏梅兰化工有限公司；3．常州大学)摘要采用振动和动态信号测试分析系统对炼油加氢装置分馏塔进料加热炉入口管道系统进行了振动特性试验，得到了管系的主要激振频率和管系横向振动峰值的分布情况。基于振动测试结果，通过数值分析方法对管系的动力学特性进行了评估。结果表明，管系刚性不足导致的一阶固有频率与激振频率重合是引起管系振动的主要原因。在此基础上提出了改造措施并进行评估乖现场应用，最终使管系的横向振动峰值降

2、低至允许的安全范围之内。所得的试验数据和评价结果对大型复杂管系的设计、改造弄口日常维护管理具有指导意义。关键词分馏塔管道动力学特性振动分析中图分类号TQ051．2l文献标识码B文章编号0254-6094(2015)02-0278-04管道作为物料输送的主体设备在流程工业装置中占据着重要的地位。管道的强烈振动会使管道与附件以及管道之间连接处等部位发生磨损、松动，使管道和支吊架产生疲劳，甚至发生断裂，轻则引起泄漏，重则会由于管道破裂而引发严重的安全事故。某化工企业加氢装置进料加热炉为单排管双面辐射水平管立式炉，入口管道设计压力为17．3MPa，设计

3、温度为450。C，介质分两管程从辐射段上部进入加热炉，经加热后从辐射室下部出加热炉。由于管道走向复杂，有多个弯头，装置在运行过程中存在管线不同程度的横向振动问题，其中以加热炉人口管线振动最为严重。采用CRAS振动和动态信号测试分析系统对入口管系进行了振动频率测试，通过数值分析方法对管系动力学特征进行了评估，分析引起管系剧烈振动的主要原因，在此基础上提出了管系的改造措施，并进行了管系动力学特征评估。1管道横向振动运动微分方程假设管道内流体不可压缩，对管道横向建模。11，则有：f[E，窘著(酚)一m￡，2芸去(缈)+mU盟OxOt占y—mU。-dL

4、y。击(酚)+(肘+m)警酚卜_0(1)式中E——管道材料弹性模量；文献[2]基于Timoshenko梁模型采用传递矩f——管道横截面惯性矩；阵法计算了固液耦合条件下周期管路结构的弯曲m——管道单位长度的质量；振动能带结构和传输特性；文献[3]根据hamil‘。nM——液体单位长度的质量；变分原理，建立了两端固定的管道流固耦合振动。，Z==孽孽穹鎏芝霎孽。。，、．，、的控制方程，用幂级数近似管道的振型模型，求得假设边界条件为两边固支，则8(0)=6(1)=～⋯～一一⋯⋯”一⋯⋯⋯‘⋯⋯⋯’一’0，得管道横向自由振动方程为：方程的解析解；文献[4

5、]将输液动力管道简化为E7筹+mU2≥+2mⅣ2罴+(M+m)警20(2)梁模型，建立管道的侧向振动微分方程，研究管道+江苏省高校科研产业化推进工程项目(JHl0—52)。¨徐仁军，男，1969年12月生，工程师。江苏省常州市，213200。第42卷第2期化工机械279的动力特性；文献[5]采用Timoshenko梁模型提出了求解多跨管道流固耦合振动的波动方程，结合散射模型，得到了多跨管道流固耦合振动的频率特征方程；文献[6]研究了两端弹性支承的输流管道横向振动的动力学特性。上述文献都是对较为简单的管道模型进行动力学特性的求解分析，而对于实际的

6、流体输送管道，因管道上带有支吊架、阀门及仪表等各种附件，且管线走向复杂，通过上述方程对其进行求解存在较大困难。笔者采用了CAESARⅡ管道有限元分析软件，对管道系统进行动力学特征的研究，分析引起管道横向振动的主要原因，并提出应对措施。2管道系统动力学特征分析2．1管道系统的模态分析2．1．1管系振动特性测试与分析采用安正CRAS振动和动态信号测试分析系统对入口管系横向振动剧烈部分进行了振动特性试验。测试的方法是将两个加速度传感器相互垂直放置在管道待测点进行数据采集和分析，得到振动频率和振动能量之间的关系。由采集分析结果可知，管系的振动频率主要有

7、1．21、2．40、3．55、5．91Hz，其中1．21Hz的激振能量最大，为管系振动的主频率，其余3个频率的激振能量随着振动频率的升高而逐渐降低。2．1．2管道系统的模态分析应用有限元分析软件建立管道模型，整套装置管系进出口分别连接在泵和反应器上，将管系两端分别设置为固定端并依据计算添加初始位移。在管道中有许多管托类吊架，有固定、滑动或导向型，对其应按照管道约束方式进行相应的戈、Y、z轴的约束，对于恒力弹簧支吊架，在CEASARII的Hangers库中可以对其进行相应的设置。已知管道材料密度、单元体积和重力加速度可实现管道重力的加载；保温材料

8、(硅酸镁铝类材料)可以通过软件进行添加；管中气液两相混合物介质质量不可忽略，其密度为900kg／m3。管系统的温度和压力边界条件即为现场的温度和压力条