CN1186557C - 一种控制管道振动的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种控制管道振动的方法及装置属于减振技术领域，包括如下：用低频振动测试仪对振动的管道进行测试；采用有限元软件计算、分析、确定管系的固有频率和振幅及管道的动力学分析；模拟安装控制管道振动的装置的位置、数量，计算管系的固有频率和振幅，满足管系的一阶固有频率大于3.5Hz和应力的要求；通过管道的热位移S＝η1T和t＝0.8|S|或t＝0确定间隙t值，使管系的间隙既能满足管道固有频率的要求，也能满足管系在高温运行时应力的要求；所用控制装置主要由间隙和限位装置组成。本发明通过限制位移的方法和装置解决了管道的振动问题，提高管道的固有频率，减小振幅，达到控制高温高压管道异常振动、延长了管道使用寿命，保证了设备安全运行。

Description

一种控制管道振动的方法及装置

(一)技术领域

本发明涉及一种控制管道振动的方法及装置，属于减振技术领域。

(二)背景技术

管道的应用，在工业生产中，特别是在石油、化工、能源行业较为广泛，通常管道在运行过程会产生振动，特别是高温高压管道会有强烈振动，导致管道结构、管路附件产生疲劳破坏，造成管道保温脱落、测量表和导管的损坏及控制系统的误动作；再者，由于管道的振动，其焊缝及弯头极易泄露，甚者引起爆炸，发生重大事故；另外，管道的振动还会使工作中的操作人员产生恐惧感，并容易产生操作失误、造成事故。当前，对于管道振动的控制，主要从削减管系的激振力和改善管系的振动特性的两个方面来研究解决，削减激振力也就是削减振源，理论上可行，但实际情况是，振源无法根除，特别是管道的运行方式设计好以后，改变运行方式，意味着功率改变，对于设备的运行效率是很不利的，并且参数改变后，管道的振动也难免；对于改善管道的振动特性，目前现有的研究主要是针对往复运行的设备，在适当位置上加装缓冲罐，而对于参数基本固定、并且是高参数的电站锅炉管道和高温高压的化工管道的振动，管道应力和位移较大，目前还没有有效解决的办法。

(三)发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种能改善管道的振动特性，提高管道的固有频率，减小振幅，达到控制高温高压管道异常振动、保障设备正常运行的一种控制管道振动的方法及装置。

本发明是通过以下技术方案实现的。

该方法包括如下步骤：

(1)用低频振动测试仪对振动的管道进行现场测试，分析管道的振动特性；

(2)采用有限元软件，通过计算机计算、分析、确定管系的固有频率和振幅；

(3)通过有限元分析软件对管道进行动力学分析，模拟安装控制管道振动的带间隙的限位装置的位置、限位装置的数量，计算管系的固有频率和振幅，直到满足管系的一阶固有频率大于3.5Hz和应力的要求；

(4)确定间隙t值：首先计算管道的热位移S，热位移S等于管道运行温度下的线膨胀系数η与管道的长度l和管道的运行温度T的乘积，即S＝ηlT，得出S，再计算间隙t值，立管间隙t值按照t＝0.8|S|确定；管道的水平方向间隙t值和管道轴向间隙t值按照t＝0.8|S|或t＝0确定；通过确定间隙值，使管系的间隙既能满足管道固有频率的要求，也能满足管系在高温运行时应力的要求；

(5)确定好管道的限位装置的位置、数量及限位装置的间隙t值后，在管道上安装限位装置。

(6)管道运行后，测试分析管道的频率和振幅，确定是否满足管道安全运行的要求。

限位装置安装在管道振幅大的位置上。

一种控制管道振动方法的装置，由间隙和限位装置组成，限位装置固定在管道的外侧，在限位装置与管道之间设有通过计算确定的间隙。

所述的限位装置由横板和两块立板组成，横板在管道的下方，两立板分别设在管道的两侧，并垂直固定在横板的上端，两立板分别与管道之间有数值确定的间隙。通过该限位装置可控制横向管道在水平方向上即X方向上的振动。

所述的限位装置是由框架组成，框架固定在管道的外周，在框架内侧与管道之间有数值确定的间隙。通过该限位装置可控制立式管道的X、Z两个方向上的振动。

所述的限位装置由管夹组合件和框架组成，管夹组合件包括管夹和与管夹固定连接的限位碰块，管夹固定在管道外表面，框架固定在限位碰块的外周，在框架内与限位碰块之间有数值确定的间隙。通过该限位装置可控制横向管道或立式管道的X、Z两个方向上的振动。

所述的管夹为上、下两块与管道相匹配的Ω形夹板，夹板的两边有通孔，通过螺栓连接上、下夹板。

当用于立式管道时，所述的限位碰块可设置四块，分别与管夹连接并固定在管道的前、后、左、右方向上即X、Z方向上。

当用于立式管道时，所述的框架可为矩形框架，固定在与管道相固定连接的管夹和限位碰块的四周。

当用于水平管道时，所述的框架可为盒形框架，固定在限位碰块的外周、管道的下部。

管道的振动多为低频振动，故采用低频振动的管道进行现场测试，使用有限元软件计算、分析确定管系的固有频率和振幅，管系是由直管、弯管、法兰、阀门、支、吊架和保温层组成，而固有频率主要取决于管系的质量矩阵和刚度矩阵，既主要由管系的质量大小及其分布，刚度及其支承情况，分析管系的振动，即主要求解管系前5阶固有频率及振型，其计算步骤是：

管系振动微分方程

$\left[M\right]\left\{\stackrel{\·\·}{X}\left(t\right)\right\}+\left[C\right]\left\{\stackrel{\·}{X}\left(t\right)\right\}+\left[K\right]\left\{X\left(t\right)\right\}=\left\{F\left(t\right)\right\}---\left(1\right)$

式中：[M]为管系的质量矩阵；[C]为管系的阻尼矩阵；[K]为管系的刚度矩阵。通常他们是n×n解释对成矩阵。

为管系结构质点的加速度的n阶列向量、

为管系结构质点的速度的n阶列向量、{X(t)}为管系结构质点的位移的n阶列向量。

{F(t)}-管系结构所承受的激扰力列向量。这激扰力包括机械振动、流动振动和地震的激扰力。

在无外载荷的作用下，可以把管系的振动微分方程(1)写成方程

$\left[M\right]\left\{\stackrel{\·\·}{X}\left(t\right)\right\}+\left[K\right]\left\{X\left(t\right)\right\}=0---\left(2\right)$

方程(2)为无阻尼自由振动方程，可设其具有简谐的解

X(t)＝Ψsin(ωt+α)                                      (3)

式中ω-角频率；α-为初相角；Ψ-与时间t无关的非零位移矢量。把(3)式代入(2)式整理得(4)式，

(k-ω²m)Ψ＝0                                              (4)

令 λ＝ω²，满足(4)式中的一组解( λ _i，Ψ_i)为结构的一组特征对。 λ _i称为结构的特征值，ω为固有频率， λ _i对应的非零位移矢量Ψ_i为特征位移矢量，为管道的振幅，求解方程(4)的全部或部分特征对便是管系的各阶的固有频率和相应各阶振幅；计算出振动管系的固有频率和振幅后，安装带间隙的限位装置，以提高管道的刚性矩阵，使固有频率提高，振幅降低，但管道的应力也会随之升高，为既保证管道运行状况下的应力小于运行状况下的许用应力，又降低振幅，需确定间隙t值。

管道在运行后，由于管道的热膨胀和管端附加位移，使管道发生位移，管道的热位移是管道在不同的方位管道的热位移的叠加，在单一方向上，管道的热位移公式：S＝ηlT                                               (5)

通过公式(5)及不同方位的叠加，计算出加装限位处的位移S，计算出S，通过t＝0.8|S|或t＝0得出间隙值。对于立管上用限位间隙值选择t＝0.8|S|；管子的左右方向上用限位间隙值选择t＝0.8|S|或t＝0(X方向)；管子的轴向限位(Z向)间隙t＝0.8|S|或t＝0，根据振幅大小和管子的受力情况确定管子的间隙为t＝0或t＝0.8|S|，首先在管子振动大的位置，选择管子的间隙为t＝0，再验算管道的应力是否小于管子的许用应力，否则选择t＝0.8|S|。

选择间隙值t，在选定的位置安装具有相应间隙的限位装置，既满足应力的要求，又提高了管道的刚性矩阵，固有频率提高，振幅随之降低。

本发明通过限制位移的方法和装置解决了管道的振动问题，提高管道的固有频率，减小振幅，达到控制高温高压管道的异常振动、延长了管道使用寿命，保证了设备安全运行及工作环境的改善，使用本发明具有结构合理、使用方便、安全可靠、效果显著等优点。

以下为效果对比：

1、改造前后管道的固有频率计算

阶数	改造前固有频率(HZ)	改造后固有频率(Hz)
			1	0.222	4.567
2	0.226	4.584
			3	0.377	4.592
4	0.418	4.617
			5	0.528	5.050

改造前管道的固有频率极低，不满足管道设计的要求(固有频率大于3.5Hz，改造后管道的固有频率满足要求。

2、改造前后管道的热态位移计算

a改造前

位置编号

X方向位移(mm)

z方向位移(mm)

X方向转角(度)

Y方向转角(度)

Z方向转角(度)

50	126.426	12.162	-0.2857	0.1783	0.3057
						60	143.213	58.654	-0.3976	0.1205	0.2134
80	160.231	106.951	-0.3156	-0.0192	0.1121
						100	158.210	158.607	-0.5116	-0.1700	-0.0607
150	28.678	162.50	0.0960	-0.3830	-0.1552
						210	22.443	-37.5	0.4255	-0.1892	0.0420
230	17.520	-29.963	-0.0764	-0.1461	0.0294
						260	10.009	9.994	-0.2132	-0.0631	0.0169
320	-110.847	12.136	-0.2815	-0.1708	-0.2548
						330	-126.848	58.628	-0.3933	-0.1139	-0.1650
350	-139.819	106.500	-0.3102	0.0219	-0.0667
						370	-134.318	157.786	-0.5095	0.1684	0.1001
420	-7.761	162.495	0.0965	0.3541	0.1723
						480	-4.550	-37.493	0.4136	0.0947	-0.0702
500	-5.673	-27.140	-0.1107	0.0468	-0.0445
						540	-11.252	11.252	-0.2400	0.0172	-0.0082

b改造后管道间隙t计算

位置编号	X方向间隙(mm)	z方向间隙(mm)	X方向转角(度)	Y方向转角(度)	Z方向转角(度)
						50	0.000	/	-0.0449	-0.0840	-0.5324
60	0.000	0.000	0.0069	0.1192	-0.2505
						80	0.000	0.000	0.2492	0.2454	-0.1287
100	0.000	/	-0.4511	0.3149	-0.3734
						150	0.000	130.000	-0.3908	0.1380	-0.3518
210	0.000	30.000	0.4728	-0.0729	0.0020
						230	0.000	/	-0.0766	-0.0057	0.0094
260	8.000	8.000	-0.2205	0.0001	-0.0038
						320	0.000	/	-0.0086	0.0753	0.4669
330	0.000	0.000	0.0128	-0.1098	0.2219
						350	0.000	0.000	0.2503	-0.2333	0.1230
370	0.000	/	-0.4350	-0.3041	0.3650
						420	0.000	130.000	-0.3559	-0.1570	0.3639
480	0.000	30.000	0.4314	0.0264	-0.0157
						500	0.000	/	-0.1419	0.0089	-0.0030
540	9.000	9.000	-0.2470	0.0009	0.0067

改造后管道预留的间隙满足使用要求。

3改造前后管道的应力计算

a改造前

位置编号	弯曲应力(KPa)	剪切应力(KPa)	计算应力(KPa)	许用应力(KPa)	计算应力占许用应力的百分比(％)
						50	1293	-479	11635	52320	22

60	6971	479	17312	52320	33
						80	2595	24	12537	52320	24
100	7343	17	17684	52320	34
						150	6434	-1056	16776	52320	32
210	973	-93	11121	52320	21
						230	2602	-122	12966	52320	25
260	950	131	11581	52320	22
						320	2786	365	13129	52320	25
330	7599	365	17942	52320	34
						350	2018	74	11981	52320	23
370	6902	44	17244	52320	33
						420	6314	1006	16656	52320	32
480	2880	3	12966	52320	25
						500	1638	-42	11970	52320	23
540	3018	-77	13631	52320	26

b改造后

位置编号	弯曲应力(KPa)	剪切应力(KPa)	计算应力(KPa)	许用应力(KPa)	计算应力占许用应力的百分比(％)
						50	14315	455	24774	52320	47
60	10092	-455	20552	52320	39
						80	4016	-310	14143	52320	27
100	4840	1564	13349	52320	29
						150	11837	1083	22151	52320	42
210	3003	-80	13098	52320	25
						230	1294	-120	11625	52320	22
260	1637	-16	12246	52320	23
						320	14648	-461	25112	52320	48
330	10574	461	21038	52320	40
						350	5374	271	15507	52320	30
370	3762	1332	14077	52320	27
						420	11128	-883	21443	52320	41
480	6044	-55	16095	52320	31
						500	285	31	10616	52320	20
540	5534	7	15808	52320	30

改造后管道的应力在局部位置有增大的现象，但仍小于许用应力，满足管道的强度要求。

(四)附图说明

图1是实施例1中水平管的道单向限位装置结构示意图；

图2是实施例1中立式管道的框架式双向限位装置的结构示意图；

图3是实施例1中水平管道的双向限位装置的结构示意图；

图4是实施例1中立式管道的双向限位装置的结构示意图；

图5是中实例1管道限位布置示意图；

图6是本发明中实例2管道限位布置示意图。

其中，1、管道，2、横板，3、立板，4、矩形框架，5、限位碰块，6、盒形框架，8、管夹，间隙t。

(五)具体实施方式

实施例1：在一装机容量为125MW的主蒸气管道1上具体实施，其运行温度为540℃，压力为9.8MPa，管道1的外径为用273mm。如附图5所示，采用型号为TBV-I叶片振动测试仪对振动的管道进行现场测试，选择了测试点，分析管道1的振动特征；采用Ansys，MSC软件，通过计算机计算、分析、确定管系的固有频率和振幅，其计算步骤：一阶固有频率为0.222Hz，振幅最大值为1.6mm；对管道进行动力学分析，模拟分析管道的振动，选择不同的位置加装带间隙的限位装置，通过模拟调整限位装置的位置、限位装置的数量、类型调整管系的固有频率和振幅；得到固有频率为4.567Hz，振幅为0.15mm；在16个点加装限位装置；其中，编号为50、100、230、320、370、500处设置6个X方向上的限位装置，如附图1所示，该限位装置将横板2固定在管道1的下方，在横板2的上方、管道1的两侧垂直固定连接两立板3，立板3与管道1之间设置间隙t，根据公式S＝ηlT、t＝0确定，间隙t；其中，管道的热位移为S，管道运行温度的线膨胀系数为η，管道的长度为l，管道的运行温度T。经计算，设置在编号为50点的单向管道限位装置在X方向上的位移126.436mm为由t＝0得出间隙t为0mm；设置在编号为100点的位移为158.210mm，间隙t为0mm；设置在编号为230点的位移为17.520mm，间隙t为0mm；设置在编号为320点的位移为-110.847mm，间隙t为0mm；设置在编号为370点的位移为-134.318mm，间隙t为0mm；设置在编号为500点的位移为-5.673mm，间隙t为0mm；在编号为260、540处设置2个立管的矩形框架4限位装置，如附图2所示，该限位装置为矩形框架，矩形框架固定在立管的外周，矩形框架内侧与管道之间有间隙t，限制X、Z方向上的位移；根据公式S＝ηlT、t＝0.8|S|，间隙值取整得出，编号为260点的位移为10.009mm、9.994mm，间隙t为8mm；编号为540点的位移为-11.252mm、11.252mm，间隙t为9mm；在编号为60、150、330、420处设置4个水平带管夹的限位装置，如附图3所示，该限位装置包括管夹组合件和盒形框架6，管夹组合件包括管夹7和限位碰块5，管夹7固定在管道1的外表面，盒形框架6固定在限位碰块5的外周，在盒形框架6与限位碰块5之间设置间隙t；限制X、Z方向上位移，根据公式S＝ηlT、t＝0或t＝0.8|S|，间隙值取整得出，编号为60点的位移为143.213mm、58.654mm，间隙t为0mm；编号为150点的位移为28.678mm、162.500mm，间隙t在X方向上为0mm、Z方向上为130.000mm；编号为330点的位移为-126.848mm、58.628mm，间隙t在X、Z方向为0mm；编号为420点的位移为-7.761mm、162.495mm，间隙t在X方向为0mm、Z方向为130.000mm；在编号为80、210、350、480点处设置4个带管夹的立式管道限位装置，如附图4所示，该限位装置包括管夹组合件和矩形框架4，管夹组合件包括管夹7和限位碰块5，管夹7固定在管道1的外表面，矩形框架4固定在限位碰块5的外周，矩形框架4内侧与限位碰块5之间有间隙t，限制X、Z方向上的位移；编号为80点的位移为160.231mm、106.951mm，间隙t在X、Z方向均为0mm；编号为210点的位移为22.443mm、-37.5mm，间隙t在X方向为0mm、Z方向为30.000mm；编号为350点的位移为-139.819mm、106.500mm，间隙t在X、Z方向均为0mm；编号为480点的位移为-4.550mm、-37.493mm，间隙t在X方向为0mm、Z方向均为30mm；

实施例2：如附图6所示，在一装机容量为125MW的主蒸汽管道2上具体实施，其运行温度为540℃，压力为9.8MPa，管道2的外径为273mm。检测方法与实施例1相同，选择45点和95点，所用限位装置为矩形框架，如实施例1中图2所示，间隙的确定方法同实施例1，得出两点间隙t分别为23mm和1mm，限制X、Z方向的位移。实施后，管系的一阶固有频率为4.72Hz，振幅为0.12mm，满足设计规范和管道运行要求。

Claims (10)

1、一种控制管道振动的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)用低频振动测试仪对振动的管道进行现场测试，分析管道的振动特性；

(2)采用有限元软件，通过计算机计算、分析、确定管系的固有频率和振幅；

(3)通过有限元分析软件对管道进行动力学分析，模拟安装控制管道振动的带间隙的限位装置的位置、限位装置的数量，计算管系的固有频率和振幅，直到满足管系的一阶固有频率大于3.5Hz和应力的要求；

(4)确定间隙t值，首先计算管道的热位移S，热位移S等于管道运行温度下的线膨胀系数η与管道的长度l和管道的运行温度T的乘积，即S＝ηlT，再计算间隙t值，立管间隙t值按照t＝0.8 |S|选择；管道水平间隙t值和管道轴向间隙t值按照t＝0.8 |S|和t＝0确定，首先按照t＝0选择，验算管道的应力否合格，若不合格，按照t＝0.8|S|选择；使管系的间隙既能满足管道固有频率的要求，也能满足管系在高温运行对应力的要求；

(5)确定好管道的限位装置的位置、数量及限位装置的间隙t值后，在管道上安装限位装置。

(6)管道运行后，测试分析管道的频率和振幅，确定是否满足管道安全运行的要求。

2、如权利要求1所述的一种控制管道振动的方法，其特征在于：在管道振幅大的位置上安装带间隙的限位装置。

3、一种如权利要求1所述的控制管道振动方法所用的装置，其特征在于，主要由间隙和限位装置组成，限位装置固定在管道的外侧，在限位装置与管道之间设有通过计算确定的间隙。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的限位装置由横板和两块立板组成，横板在管道的下方，两立板分别设在管道的两侧，并垂直固定在横板的上端，两立板分别与管道之间有数值确定的间隙，用于控制横向管道在水平方向上即X方向上的振动。

5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的限位装置是由框架组成，框架固定在管道的外周，在框架内侧与管道之间有数值确定的间隙，用于控制立式管道的X、Z两个方向上的振动。

6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的限位装置由管夹组合件和框架组成，管夹组合件包括管夹和与管夹固定连接的限位碰块，管夹固定在管道外表面，框架固定在限位碰块的外周，在框架内与限位碰块之间有数值确定的间隙。用于控制横向管道或立式管道的X、Z两个方向上的振动。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的管夹为上、下两块与管道相匹配的Ω形夹板，夹板的两边有通孔，通过螺栓连接上、下夹板。

8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，用于立式管时，所述的限位碰块可设置四块，分别与管夹连接并固定在管道的前、后、左、右方向上即X、Z方向上。

9、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，用于立式管时，所述的框架可为矩形框架，固定在与管道相固定连接的管夹和限位碰块的四周。

10、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，用于水平管时，所述的框架可为盒形框架，固定在限位碰块的外周、管道的下部。

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