JP5839883B2 - Vibration analysis method for piping system - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、石油化学工場、薬品・食品製造工場、製鉄所、機械製造工場、発電所、パイプライン等の各種プラントにおける配管系の振動解析を行う方法に関する。 The present invention relates to a method for performing vibration analysis of a piping system in various plants such as a petrochemical factory, a chemical / food manufacturing factory, an iron mill, a machine manufacturing factory, a power plant, and a pipeline.
プラントにおける配管系では、配管系の振動解析を行い、その解析結果に基づいて何らかの振動対策を施すことがある。振動対策として、例えば、回転体や往復運動体を備えた機器との共振を避けたり、振動に対する剛性を向上させたりすることが挙げられる。 In a piping system in a plant, vibration analysis of the piping system is performed, and some measures against vibration are taken based on the analysis result. As measures against vibration, for example, resonance with a device including a rotating body or a reciprocating body can be avoided, or rigidity against vibration can be improved.
ところが、プラントにおける配管系は、配管が接続される各種機器のレイアウトや熱応力の発生等の制約上、複雑な形状とならざるを得ない。そのため、同一プラント内における同種の配管系といえども、配管系ごとに完全に同一形状にならないことが多々ある。また、同種のプラントであっても、通常、プラントごとに配管系の形状は異なる。
よって、従来の振動解析方法では、各プラントの個々の配管系に対してモデルを作成し、このモデルを用いて配管系の振動解析を行っていた。
However, the piping system in the plant has to have a complicated shape due to restrictions such as layout of various devices to which the piping is connected and generation of thermal stress. Therefore, even in the same type of piping system in the same plant, there are many cases where the piping system does not have the same shape. Moreover, even if it is the same kind of plant, the shape of a piping system differs normally for every plant.
Therefore, in the conventional vibration analysis method, a model is created for each piping system in each plant, and vibration analysis of the piping system is performed using this model.
配管系をモデル化して振動解析を行う従来の振動解析方法として、例えば非特許文献1及び2に記載されたものがある。
非特許文献1には、多スパン配管をモデル化して作成した解析モデルを用いて、この多スパン配管の振動診断を行う手法が開示されている。この手法では、対象とする多スパン配管中の配管をはり要素で、バルブを集中質量で、サポートをばね要素として扱って、多スパン配管のモデル化を行って解析モデルを作成している。また、解析モデルの振動特性を実機の振動特性に合わせるため、解析モデルの最適化処理が行われる。このようにして得られた解析モデルを用いれば、加速度計による実機データから多スパン配管の任意箇所における発生応力の評価を行うことができる。
また、非特許文献2には、加圧水型原子力発電所(PWRプラント)における配管系をモデル化し、母管の振動に起因して枝管に発生する振動応力を算出する手法が開示されている。この手法では、母管が振動せず、枝管(小口径配管)に設けられたバルブの弁箱の位置に配管系の重心位置が存在すると仮定した簡易モデルに対して、配管系の実際の重心位置の弁箱からのずれ、および、母管自体の振動を考慮に入れて修正したモデルを用いて解析が行われる。
As a conventional vibration analysis method for modeling a piping system and performing vibration analysis, for example, there are methods described in
Non-Patent
Non-Patent
しかしながら、非特許文献1及び2に記載の手法は、いずれも、解析対象とするプラントの配管系について個別にモデル化を行う必要があり、配管系の振動解析を行うのに多大な時間を要する。
一方、解析時間を短縮するために、配管系のうち振動への寄与が大きいと考えられる部分(揺れやすい部分)だけに限定して振動解析を行うことも考えられるが、この場合には配管系の振動特性を正確に把握することができない。そのため、所望の振動特性を実現するように配管系を設計しても、配管系を実際に組み上げて配管系に流体を流すプラント試運転時になって、配管系の振動対策が十分でないことが明らかになり、配管支持構造物の修正を余儀なくされて、コストがかさむ原因となり得る。
However, each of the methods described in
On the other hand, in order to shorten the analysis time, it is conceivable that the vibration analysis is limited to only the portion of the piping system that is thought to contribute greatly to vibration (the portion that easily shakes). It is impossible to accurately grasp the vibration characteristics of the. Therefore, even if the piping system is designed to achieve the desired vibration characteristics, it is clear that the piping system is not adequately equipped with vibration countermeasures during the trial operation of the plant that actually assembles the piping system and flows the fluid through the piping system. Therefore, the piping support structure is forced to be corrected, which may increase the cost.
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、複雑な形状の配管系であっても簡便に振動解析を行うことができる配管系の振動解析方法および配管系の振動解析装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a vibration analysis method for a piping system and a vibration analysis apparatus for the piping system that can easily perform vibration analysis even for a piping system having a complicated shape. The purpose is to do.
本発明に係る配管系の振動解析方法は、配管および該配管を複数の拘束点において支持する複数の支持部材を有する配管系の振動解析方法であって、前記拘束点ごとに前記配管系を複数の要素に分割する分割工程と、前記複数の要素のそれぞれについて、固有振動数が既知である基準モデルを当てはめる基準モデル当てはめ工程と、各要素と該要素に当てはめられた基準モデルとの相違に基づく補正係数を前記複数の要素のそれぞれについて求める補正係数算出工程と、各要素に当てはめられた基準モデルの前記固有振動数に前記補正係数を乗じて、前記複数の要素のそれぞれの固有振動数を求める固有振動数算出工程とを備えることを特徴とする。 The vibration analysis method for a piping system according to the present invention is a vibration analysis method for a piping system having a piping and a plurality of support members that support the piping at a plurality of restraining points, and the piping system includes a plurality of piping systems for each restraining point. Based on the difference between the dividing step of dividing into the elements, the reference model fitting step of applying a reference model having a known natural frequency for each of the plurality of elements, and the reference model applied to each element A correction coefficient calculating step for obtaining a correction coefficient for each of the plurality of elements, and multiplying the natural frequency of a reference model applied to each element by the correction coefficient to obtain a natural frequency of each of the plurality of elements And a natural frequency calculating step.
上記配管系の振動解析方法では、配管系を拘束点ごとに分割した複数の要素のそれぞれについて基準モデルを当てはめ、各要素と基準モデルとの相違に基づいて基準モデルの既知の固有振動数を補正係数によって補正して各要素の固有振動数を求める。このように複雑な形状の配管系をそのままモデル化するのではなく、配管系を複数の要素に分割し、基準モデルとの比較に基づいて各要素の固有振動数を求めることで、配管系の振動解析を簡便に行うことができ、解析に要する時間を大幅に短縮できる。そのため、配管系のより広い範囲にわたって解析を行うことが可能になり、配管系の振動特性を正確に把握することができる。よって、プラント試運転段階になってから配管支持構造物(支持部材)の修正を余儀なくされる事態を防ぐことができる。
また、要素ごとに固有振動数が得られるため、配管系のどの箇所(要素)に振動対策を施すべきかが明確になる。よって、配管系の設計段階で、回転体や往復運動体を備えた機器との共振のおそれがなく、振動に対する剛性に優れた配管系を容易に実現できる。
In the above-mentioned vibration analysis method for piping systems, the reference model is applied to each of a plurality of elements obtained by dividing the piping system for each constraint point, and the known natural frequency of the reference model is corrected based on the difference between each element and the reference model. The natural frequency of each element is obtained by correcting with a coefficient. Instead of modeling a piping system with a complicated shape in this way, the piping system is divided into a plurality of elements, and the natural frequency of each element is obtained based on comparison with the reference model. Vibration analysis can be performed easily, and the time required for analysis can be greatly reduced. Therefore, it becomes possible to perform analysis over a wider range of the piping system, and it is possible to accurately grasp the vibration characteristics of the piping system. Therefore, it is possible to prevent a situation in which the piping support structure (support member) is forced to be corrected after the plant trial operation stage.
Further, since the natural frequency can be obtained for each element, it becomes clear which part (element) of the piping system should be subjected to vibration countermeasures. Therefore, at the piping system design stage, there is no risk of resonance with a device having a rotating body or a reciprocating body, and a piping system having excellent rigidity against vibration can be easily realized.
上記配管系の振動解析方法は、前記基準モデル当てはめ工程を行う前に、固有振動数が既知である代表モデルを複数用意する代表モデル準備工程をさらに備え、前記基準モデル当てはめ工程では、複数の前記代表モデルの中から各要素に最も近い代表モデルを前記基準モデルとして選択して各要素に当てはめてもよい。
これにより、プラントの配管系で典型的に用いられる要素を代表モデルとして予め用意しておけば、種々のプラントにおける任意の形状の配管系の振動解析を簡便かつ迅速に行うことができる。
The vibration analysis method of the piping system further includes a representative model preparation step of preparing a plurality of representative models with known natural frequencies before performing the reference model fitting step, and the reference model fitting step includes a plurality of the above-described representative model preparation steps. A representative model closest to each element from among the representative models may be selected as the reference model and applied to each element.
Thereby, if elements typically used in the piping system of the plant are prepared in advance as a representative model, vibration analysis of piping systems of arbitrary shapes in various plants can be performed easily and quickly.
上記配管系の振動解析方法は、前記補正係数算出工程を行う前に、前記代表モデルの固有振動数と該固有振動数に影響する影響因子との関係を示す関数を求める関数算出工程をさらに備え、前記補正係数算出工程では、各要素と該要素に当てはめられた前記基準モデルとの前記影響因子の相違から前記関数を用いて前記補正係数を求めてもよい。
このように、代表モデルの固有振動数とこれに影響する影響因子との関係を示す関数を予め求めておき、各要素と基準モデルとの影響因子の相違から前記関数を用いて補正係数を求めることで、各要素の正確な固有振動数を簡便かつ迅速に求めることができる。
The piping system vibration analysis method further includes a function calculation step for obtaining a function indicating a relationship between the natural frequency of the representative model and an influencing factor affecting the natural frequency before performing the correction coefficient calculation step. In the correction coefficient calculation step, the correction coefficient may be obtained using the function from the difference in the influence factors between each element and the reference model applied to the element.
In this manner, a function indicating the relationship between the natural frequency of the representative model and the influencing factors affecting the representative model is obtained in advance, and the correction coefficient is obtained using the function from the difference in influencing factors between each element and the reference model. Thus, the accurate natural frequency of each element can be obtained easily and quickly.
上記配管系の振動解析方法は、前記分割工程、前記基準モデル当てはめ工程、前記補正係数算出工程および前記固有振動数算出工程を互いに直交する2つの水平方向及び鉛直方向の3方向について繰り返してもよい。
プラントの配管系は、通常、複雑な三次元形状であるから、あらゆる方向の振動が問題になりえる。このため、1方向について解析を行っても、配管系の振動特性を正確に知ることはできないことが多い。そこで、上述のように、互いに直交する2つの水平方向及び鉛直方向の3方向について、分割工程〜固有振動数算出工程を繰り返すことで、複雑な三次元形状の配管系の振動特性を確実に把握することができる。
In the piping system vibration analysis method, the dividing step, the reference model fitting step, the correction coefficient calculation step, and the natural frequency calculation step may be repeated in two horizontal directions and three vertical directions that are orthogonal to each other. .
Plant piping systems are usually complex three-dimensional shapes, so vibrations in all directions can be a problem. For this reason, even if analysis is performed in one direction, it is often impossible to accurately know the vibration characteristics of the piping system. Therefore, as described above, by repeating the division process to the natural frequency calculation process in two directions that are orthogonal to each other in the horizontal direction and the vertical direction, the vibration characteristics of a complicated three-dimensional piping system can be reliably grasped. can do.
また、3方向について分割工程〜固有振動数算出工程を繰り返す場合、前記3方向について前記固有振動数算出工程で算出した各要素の前記固有振動数のうち最小の固有振動数を求める最小固有振動数算出工程をさらに備えてもよい。
このようにして得られた最小の固有振動数から、配管系のうちどの要素の何れの方向の振動モードについて振動対策を施すべきかを知ることができる。そのため、配管系への振動対策を効率的に行うことができる。
Further, when the division step to the natural frequency calculation step are repeated for the three directions, the minimum natural frequency for obtaining the minimum natural frequency among the natural frequencies of the elements calculated in the natural frequency calculation step for the three directions. You may further provide a calculation process.
From the minimum natural frequency obtained in this way, it is possible to know which vibration mode of which element of the piping system should be subjected to vibration countermeasures. Therefore, vibration countermeasures for the piping system can be performed efficiently.
また本発明に係る配管系の振動解析装置は、配管および該配管を複数の拘束点において支持する複数の支持部材とを備える配管系の振動解析装置であって、前記拘束点ごとに前記配管系を複数の要素に分割する分割手段と、前記複数の要素のそれぞれについて、固有振動数が既知である基準モデルを当てはめる基準モデル当てはめ手段と、各要素と該要素に当てはめられた基準モデルとの相違に基づく補正係数を前記複数の要素のそれぞれについて求める補正係数算出手段と、各要素に当てはめられた基準モデルの前記固有振動数に前記補正係数を乗じて、前記複数の要素のそれぞれの固有振動数を求める固有振動数算出手段とを備えることを特徴とする。 The piping system vibration analyzing apparatus according to the present invention is a piping system vibration analyzing apparatus including a pipe and a plurality of support members that support the pipe at a plurality of restraining points, and the piping system is provided for each of the restraining points. A difference between a dividing means for dividing the element into a plurality of elements, a reference model fitting means for applying a reference model having a known natural frequency for each of the plurality of elements, and a reference model applied to each element Correction coefficient calculation means for obtaining a correction coefficient based on each of the plurality of elements, and by multiplying the natural frequency of the reference model applied to each element by the correction coefficient, the natural frequency of each of the plurality of elements Natural frequency calculation means for obtaining
上記配管系の振動解析装置では、分割手段による配管系の分割により得られた複数の要素のそれぞれについて基準モデル当てはめ手段が基準モデルを当てはめ、固有振動数算出手段において、基準モデルの既知の固有振動数を補正係数算出手段で求めた補正係数で補正することで各要素の固有振動数を求める。このように複雑な形状の配管系をそのままモデル化するのではなく、配管系を複数の要素に分割し、基準モデルとの比較に基づいて各要素の固有振動数を求めることで、配管系の振動解析を簡便に行うことができ、解析に要する時間を大幅に短縮できる。そのため、配管系のより広い範囲にわたって解析を行うことが可能になり、配管系の振動特性を正確に把握することができる。よって、プラント試運転段階になってから配管支持構造物(支持部材)の修正を余儀なくされる事態を防ぐことができる。
また、要素ごとに固有振動数が得られるため、配管系のどの箇所(要素)に振動対策を施すべきかが明確になる。よって、配管系の設計段階で、回転体や往復運動体を備えた機器との共振のおそれがなく、振動に対する剛性に優れた配管系を容易に実現できる。
In the piping system vibration analysis apparatus, the reference model fitting means applies the reference model to each of a plurality of elements obtained by dividing the piping system by the dividing means, and the natural frequency calculation means performs the known natural vibration of the reference model. The natural frequency of each element is obtained by correcting the number with the correction coefficient obtained by the correction coefficient calculating means. Instead of modeling a piping system with a complicated shape in this way, the piping system is divided into a plurality of elements, and the natural frequency of each element is obtained based on comparison with the reference model. Vibration analysis can be performed easily, and the time required for analysis can be greatly reduced. Therefore, it becomes possible to perform analysis over a wider range of the piping system, and it is possible to accurately grasp the vibration characteristics of the piping system. Therefore, it is possible to prevent a situation in which the piping support structure (support member) is forced to be corrected after the plant trial operation stage.
Further, since the natural frequency can be obtained for each element, it becomes clear which part (element) of the piping system should be subjected to vibration countermeasures. Therefore, at the piping system design stage, there is no risk of resonance with a device having a rotating body or a reciprocating body, and a piping system having excellent rigidity against vibration can be easily realized.
また上記配管系の振動解析装置は、固有振動数が既知である複数の代表モデルが記憶された記憶手段と、オペレータとの情報のやり取りを行う表示部および入力部を有するユーザインターフェースとをさらに備え、前記基準モデル当てはめ手段は、前記記憶手段に記憶された複数の前記代表モデルの中から各要素に最も近い代表モデルを選択することを前記表示部によってオペレータに促し、オペレータが前記入力部によって選択した代表モデルを前記基準モデルとして各要素に当てはめるようになっていてもよい。
これにより、プラントの配管系で典型的に用いられる要素を代表モデルとして予め用意しておけば、種々のプラントにおける任意の形状の配管系の振動解析を簡便かつ迅速に行うことができる。
The piping system vibration analysis apparatus further includes a storage unit storing a plurality of representative models with known natural frequencies, and a user interface having a display unit and an input unit for exchanging information with an operator. The reference model fitting means urges the operator to select a representative model closest to each element from the plurality of representative models stored in the storage means, and the operator selects the representative model using the input section. The representative model may be applied to each element as the reference model.
Thereby, if elements typically used in the piping system of the plant are prepared in advance as a representative model, vibration analysis of piping systems of arbitrary shapes in various plants can be performed easily and quickly.
本発明によれば、複雑な形状の配管系をそのままモデル化するのではなく、配管系を複数の要素に分割し、基準モデルとの比較に基づいて各要素の固有振動数を求めるので、配管系の振動解析を簡便に行うことができ、解析に要する時間を大幅に短縮できる。そのため、配管系のより広い範囲にわたって解析を行うことが可能になり、配管系の振動特性を正確に把握することができる。よって、プラント試運転段階になってから配管支持構造物(支持部材)の修正を余儀なくされる事態を防ぐことができる。
また、要素ごとに固有振動数が得られるため、配管系のどの箇所(要素)に振動対策を施すべきかが明確になる。よって、配管系の設計段階で、回転体や往復運動体を備えた機器との共振のおそれがなく、振動に対する剛性に優れた配管系を容易に実現できる。
According to the present invention, instead of modeling a piping system having a complicated shape as it is, the piping system is divided into a plurality of elements, and the natural frequency of each element is obtained based on comparison with the reference model. The vibration analysis of the system can be easily performed, and the time required for the analysis can be greatly shortened. Therefore, it becomes possible to perform analysis over a wider range of the piping system, and it is possible to accurately grasp the vibration characteristics of the piping system. Therefore, it is possible to prevent a situation in which the piping support structure (support member) is forced to be corrected after the plant trial operation stage.
Further, since the natural frequency can be obtained for each element, it becomes clear which part (element) of the piping system should be subjected to vibration countermeasures. Therefore, at the piping system design stage, there is no risk of resonance with a device having a rotating body or a reciprocating body, and a piping system having excellent rigidity against vibration can be easily realized.
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
なお、以下では、はじめに本実施形態に係る配管系の振動解析方法について説明した後、この振動解析方法を実行するための振動解析装置について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, and are merely illustrative examples. Only.
In the following, a vibration analysis method for a piping system according to the present embodiment will be described first, and then a vibration analysis device for executing the vibration analysis method will be described.
図1は本実施形態に係る配管系の振動解析方法の基本概念を示す図であり、図1(A)は配管系を複数の要素に分割する様子を示し、図1(B)は各要素に基準モデルを当てはめる様子を示している。図2は、本実施形態に係る配管系の振動解析方法のフローチャートである。 FIG. 1 is a diagram showing a basic concept of a vibration analysis method for a piping system according to this embodiment. FIG. 1 (A) shows a state in which the piping system is divided into a plurality of elements, and FIG. 1 (B) shows each element. Shows how the reference model is applied to. FIG. 2 is a flowchart of the piping system vibration analysis method according to the present embodiment.
図1(A)に示すように、振動解析の対象である配管系1は、配管2及び配管2を複数の拘束点において支持する支持部材3を有する。従来の振動解析方法であれば、この配管系1全体をモデル化して振動解析を行うのであるが、本実施形態では配管系1を拘束点ごとに複数の要素に分割して振動解析を行う。
As shown in FIG. 1A, a
図2に示すように、はじめに、固有振動数Xi0が既知である複数の代表モデル4i(ただし、iは各代表モデルに付された番号である。)を準備しておく(ステップS2)。
代表モデル4iは、プラントの配管系で典型的に用いられる要素であり、任意の形状の配管及び該配管の両端を支持する支持部材3を有する。例えば、直管及び該直管の両端を支持する支持部材3からなる要素、屈曲部を1箇所だけ有するL字型の配管及び該配管の両端を支持する支持部材3からなる要素、屈曲部を2箇所有して一の平面内で延在する配管及び該配管の両端を支持する支持部材3からなる要素、屈曲部を2箇所有して立体的に延在する配管及び該配管の両端を支持する支持部材3からなる要素、母管から分岐した配管及び該配管を支持する支持部材3からなる要素等を代表モデル4iとして準備しておく。各代表モデル4iの固有振動数Xi0は、計算により求めてもよいし、各代表モデル4iを模したモックアップ試験体を用いて実測により求めてもよい。
As shown in FIG. 2, first, a plurality of representative models 4 i (where i is a number assigned to each representative model) having a known natural frequency X i0 are prepared (step S2). .
The
次に、ステップS4に進んで、各代表モデル4iについて、固有振動数Xiと影響因子ajとの関係を示す関数fij(aj)を準備する(ただし、iは各代表モデルに付された番号であり、jは各影響因子に付された番号である)。i番目の代表モデルの固有振動数Xiとj番目の影響因子ajとの間には次の関係が成立する。
ここでいう影響因子ajとは、各代表モデルの固有振動数に影響する任意のパラメータであり、例えば、配管仕様、配管の延べ長さ、集中質点の位置、配管の屈曲部の位置、配管の分岐部の位置、配管内を流れる流体の種類、保温の有無、配管内を流れる流体の温度、配管の厚さ、配管に作用する負荷荷重、計算上の誤差などが影響因子の具体例として挙げられる。また、ここでいう関数fij(aj)の形式は各影響因子ajと固有振動数Xiとの関係を特定可能である限り特に限定されず、上記式(1)そのものに相当する数式であってもよいし、上記式(1)に相当する固有振動数Xiと影響因子ajとの関係を示すグラフやテーブルであってもよい。
Next, proceeding to step S4, for each
The influence factors a j here is any parameter that affects the natural frequency of each representative models, for example, pipe specifications, total length of pipe, the position of the centralized mass, the position of the bent portion of the pipe, the pipe Specific examples of influential factors include the position of the branch of the pipe, the type of fluid flowing in the pipe, the presence or absence of heat, the temperature of the fluid flowing in the pipe, the thickness of the pipe, the load applied to the pipe, and the calculation error Can be mentioned. The form of the function f ij (a j ) here is not particularly limited as long as the relationship between each influence factor a j and the natural frequency X i can be specified, and a mathematical expression corresponding to the above formula (1) itself. It may be a graph or a table showing the relationship between the natural frequency X i corresponding to the above formula (1) and the influence factor a j .
図3(A)はL字型の配管及びその支持部材からなる代表モデル4iを示す図であり、図3(B)は図3(A)に示した代表モデル4iの固有振動数Xiと各影響因子ajとの関係を示すグラフである。
図3(A)に示すように、代表モデル4iは、屈曲部5を1箇所だけ有するL字型の配管と、該配管の両端を下方から支持する支持部材3とで構成される。屈曲部5は、長さL1の直管部と長さL2の直管部との間に位置しており、この代表モデル4iの延べ長さはL1+L2で表される。
図3(B)に示すように、配管の延べ長さa1、配管の厚さa2、配管内の流体の種類a3、配管内の流体温度a4、配管における屈曲部5の位置a5、配管に作用する負荷荷重(配管長さ相当)a6および計算上誤差a7の合計7種類の影響因子ajと代表モデル4iの固有振動数Xiとの関係を示す関数fi1(a1)〜fi7(a7)が準備されている。関数fi1(a1)〜fi7(a7)は、計算により求めてもよいし、代表モデル4iを模したモックアップ試験体を用いて実測により求めてもよい。
FIG. 3A is a diagram showing a
As shown in FIG. 3A, the
As shown in FIG. 3B, the total length a 1 of the pipe, the thickness a 2 of the pipe, the type of fluid a 3 in the pipe, the fluid temperature a 4 in the pipe, the position a of the
続いて、図2におけるステップS6に進んで、配管系1を拘束点(支持部材3の位置)ごとに複数の要素6k(ただしk=1,2,…,m)に分割する(図1(A)参照)。ここで、拘束点(支持部材3の位置)を基準にして配管系1の要素への分割を行うのは、拘束点が振動の分離点であるため(拘束点を超えて隣接する要素には振動は伝わりにくい)、各要素の振動を独立に扱うことができるからである。すなわち、拘束点ごとに配管系1を分割した各要素6kは、振動を独立的に扱うことができる最小単位である。
Subsequently, the process proceeds to step S6 in FIG. 2, and the
このようにして分割された各要素に対して、ステップS2で準備された複数の代表モデル4iの中から各要素6kに最も近いものを選択し、これを基準モデル7k(ただしk=1,2,…,m)として各要素6kに当てはめる(ステップS8)。
各要素6kへの基準モデル7kの当てはめは、具体的には次のように行う。すなわち、図1(B)に示す例の場合、要素61が屈曲部5を2箇所だけ有する配管及びその支持部材3からなるため、これに最も近い代表モデルを選択して基準モデル71として要素61に当てはめる。また、要素62は直管及びその支持部材3からなるため、これに最も近い代表モデルを選択して基準モデル72として要素62に当てはめる。さらに、要素6mは屈曲部5を1箇所だけ有する配管及びその支持部材3からなるため、これに最も近い代表モデルを選択して基準モデル7mとして要素6mに当てはめる。
For each element divided in this way, the one closest to each
Fitting the reference model 7 k to each
なお、各基準モデル7kは、複数の代表モデル4iの中から選択されたものであるため、当然、代表モデル4iのうちいずれかに対応している。そのため、基準モデル7kの固有振動数はその基準モデルに対応する代表モデル4iの固有振動数Xi0(各影響因子が所定値aj0のときの固有振動数)として既知であるし、基準モデル7kの固有振動数Xiと各影響因子ajとの関係はその基準モデルに対応する代表モデル4iについて算出済みである関数fij(aj)をそのまま適用できる。
Each reference model 7 k is selected from a plurality of
次に、ステップS4で準備された各代表モデル4iの固有振動数Xiと影響因子ajとの関係を示す関数fij(aj)を用いて、各要素と該要素に当てはめられた基準モデル7kとの影響因子ajの相違に基づく補正係数αkを算出する(ステップS10)。補正係数αkは次の式から得られる。
具体的には、図1(B)に示す例の場合、各要素6k(k=1,2,…,m)に当てはめられた基準モデル7kの各影響因子の値aj0と、各要素の各影響因子の値ajとの相違を上記式(2)にて考慮し、補正係数αk(k=1,2,…,m)を算出する。
Next, using the function f ij (a j) showing the relationship between the natural frequency X i of each
Specifically, in the case of the example shown in FIG. 1B, the value a j0 of each influencing factor of the reference model 7 k applied to each element 6 k (k = 1, 2,..., M ), The correction coefficient α k (k = 1, 2,..., M) is calculated in consideration of the difference from the value a j of each influence factor of the element in the above equation (2).
この後、各要素6kに当てはめられた基準モデル7kの既知の固有振動数Xk0にステップS10で得られた補正係数αkを乗じて、各要素6kの実際の固有振動数Xk(=Xk0×αk)を算出する。
Thereafter, by multiplying the correction coefficient alpha k obtained in known natural frequency X k0 in step S10 of the reference model 7 k, which is fitted to each of the
そして、ステップS14において、互いに直交する2つの水平方向及び鉛直方向の3方向について、各要素6kの固有振動数Xkを算出したか否かを判断する。3方向について固有振動数Xkの算出が完了していなければ(ステップS14のNO判定)、ステップS6に戻って他の方向に関してステップS6〜S12の処理を再び繰り返す。
一方、3方向について固有振動数Xkの算出が完了していれば(ステップS14のYES判定)、ステップS16に進み、3方向について求めた各要素6kの固有振動数Xkのうち最小の固有振動数を求める(3×k個の固有振動数のうち最小のものを求める)。この最小固有振動数から、配管系1のうちどの要素6kの何れの方向の振動モードについて振動対策を施すべきかを知ることができる。そのため、配管系1への振動対策を効率的に行うことができる。
In step S14, it is determined whether or not the natural frequency Xk of each element 6k has been calculated in two horizontal directions and three vertical directions orthogonal to each other. About three directions unless calculated natural frequencies X k is completed (NO determination at step S14), and repeats the processing of step S6~S12 respect to the other direction back to the step S6.
On the other hand, if the calculation of the eigenfrequency X k is completed for three directions (YES determination at step S14), and proceeds to step S16, the minimum of the natural frequency of X k of the elements 6 k determined for three directions The natural frequency is obtained (the smallest of the 3 × k natural frequencies is obtained). From this minimum natural frequency, it is possible to know which element 6k in which direction in the
ここで、互いに直交する2つの水平方向及び鉛直方向の3方向のそれぞれについて配管系1の振動解析を行う際における配管系1の要素への分割について、具体例を挙げて説明する。
Here, the division into elements of the
図4は配管系1の一例を示す図である。図5は直交する2つの水平方向(XY方向)及び鉛直方向(Z方向)のそれぞれについて、図4に示した配管系1を要素に分割する様子を示す図であり、図5(A)はX方向における要素分割の様子を示し、図5(B)はY方向における要素分割の様子を示し、図5(C)はZ方向における要素分割の様子を示している。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the
図4に示す配管系1は、両端に機器A及び機器Bが接続されている。また配管系1は、機器A及びBの間において、2箇所の屈曲部5が存在し、支持部材によって拘束点8(8A〜8E)で支持されている。拘束点8Aは機器Aと配管系1との接続部であり、配管系1は拘束点8Aにおいて機器A(支持部材の一例)によってXYZの全方向に拘束されている。また配管系1は、拘束点8Bにおいて配管サポート9(支持部材の一例)によってZ方向にのみ拘束されており、拘束点8Cにおいて配管サポート9によってXY方向に拘束されている。また、拘束点8Dでは、配管系1は配管サポート9(支持部材の一例)によってZ方向に拘束されている。さらに、機器B(支持部材の一例)との接続部である拘束点8Eでは、配管系1はXYZの全方向に拘束されている。
The
図5(A)の左側に示すように、拘束点8(8A〜8E)のうちX方向に配管系1を拘束するものを抽出すると、拘束点8A,8C,8Eのみとなる。そこで配管系1を拘束点8(8A,8C,8E)ごとに分割すると、同図の右側に示すように2つの要素(61X,62X)が得られる。つまり、X方向に関して配管系1を拘束点ごとに複数の要素に分割した場合、2つの要素61X,62Xが得られ、その後ステップS8〜S12を行うことで要素61X,62Xのそれぞれついて固有振動数Xkが算出される。
また、図5(B)の左側に示すように、拘束点8(8A〜8E)のうちY方向に配管系1を拘束するものを抽出すると、拘束点8A,8C,8Eのみとなる。そこで配管系1を拘束点8(8A,8C,8E)ごとに分割すると、同図の右側に示すように2つの要素(61Y,62Y)が得られる。つまり、Y方向に関して配管系1を拘束点ごとに複数の要素に分割した場合、2つの要素61Y,62Yが得られ、その後ステップS8〜S12を行うことで要素61Y,62Yのそれぞれついて固有振動数Xkが算出される。
同様に、図5(C)の左側に示すように、拘束点8(8A〜8E)のうちZ方向に配管系1を拘束するものを抽出すると、拘束点8A,8B,8D,8Eのみとなる。そこで配管系1を拘束点8(8A,8B,8D,8E)ごとに分割すると、同図の右側に示すように3つの要素(61Z,62Z,63Z)が得られる。つまり、Z方向に関して配管系1を拘束点ごとに複数の要素に分割した場合、3つの要素61Z,62Z,63Zが得られ、その後ステップS8〜S12を行うことで要素61Z,62Z,63Zのそれぞれついて固有振動数Xkが算出される。
本実施形態では、このようなXYZ方向における要素分割及び各要素についての固有振動数の算出が、図2におけるステップS14からステップS6に戻されることで、順に行われるようになっている。
As shown on the left side of FIG. 5 (A), when the restraint points 8 (8A to 8E) that restrain the
Further, as shown on the left side of FIG. 5B, when the restraint points 8 (8A to 8E) that restrain the
Similarly, as shown on the left side of FIG. 5C, when the constraint points 8 (8A to 8E) that extract the
In the present embodiment, the element division in the XYZ directions and the calculation of the natural frequency for each element are sequentially performed by returning from step S14 to step S6 in FIG.
次に、上述した振動解析方法を用いた配管系の振動解析装置について説明する。図6は配管系の振動解析装置の構成例を示す図である。
同図に示すように、振動解析装置10は、主として、配管系1の振動解析に必要な処理を行うCPU20と、配管系1の振動解析に必要な情報が記憶された記憶手段(メモリ)30と、入力部42及び表示部44を有し、CPU20とオペレータとの情報のやりとりを行うユーザインターフェース40とを備える。
Next, a vibration analysis device for a piping system using the above-described vibration analysis method will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of a vibration analysis apparatus for a piping system.
As shown in FIG. 1, the
記憶手段30には、予め準備された複数の代表モデル4iがその既知の固有振動数Xi0とともに記憶されている。また、各代表モデル4iについて予め求められた、固有振動数Xiと影響因子ajとの関係を示す関数fij(aj)も記憶手段30に記憶されている。記憶手段30は、CPU20側からの要求に従って、これらの情報をCPU20側に提供する。
The
CPU20は、分割部22、基準モデル当てはめ部24、補正係数算出部26、固有振動数算出部28および最小固有振動数算出部29により構成される。
分割部22は、ユーザインターフェース40の入力部42を介してオペレータによって入力された配管系1の設計データに基づいて、配管系1を拘束点ごとに複数の要素6k(k=1,2,…,m)に分割する。
基準モデル当てはめ部24は、分割部22による分割処理によって得られた要素6kのそれぞれについて基準モデル7kを当てはめる。具体的には、ユーザインターフェース40の表示部44を介して、記憶手段30に記憶されている複数の代表モデル4iの中から各要素6kに最も近いものを選択するようにオペレータに促す。そして、オペレータがユーザインターフェース40の入力部42によって選択した代表モデル4iを、基準モデル7kとして各要素6kに当てはめる。なお、オペレータの負担を軽減する観点から、基準モデル当てはめ部24は、記憶手段30に記憶された複数の代表モデル4iの中から各要素6kに比較的近いものだけを候補として表示部44に表示するようにしてもよい。
補正係数算出部26は、上記式(2)を用いて、各要素6kと基準モデル7kとの影響因子ajの相違に基づく補正係数αkを算出する。このとき、各要素6kに当てはめられた基準モデル7kに対応する代表モデル4iの固有振動数Xi0を記憶手段30から受け取って、該固有振動数をその基準モデル7kの固有振動数Xk0として用いる。また、各要素6kに当てはめられた基準モデル7kに対応する代表モデル4iに関して予め求められた関数fij(aj)を記憶手段30から受け取って、該関数fij(aj)を基準モデル7kの固有振動数Xkと各影響因子ajとの関係を示す関数fkj(aj)として用いる。
固有振動数算出部28は、各要素6kに当てはめられた基準モデル7kの固有振動数Xk0に補正係数算出部26にて得られた補正係数αkを乗じて、各要素6kの実際の固有振動数Xk(=Xk0×αk)を算出する。
このような一連の処理を、分割部22、基準モデル当てはめ部24、補正係数算出部26および固有振動数算出部28によって繰り返し、互いに直交する2つの水平方向及び鉛直方向の3方向(XYZ方向)について、各要素6kの固有振動数Xkが算出される。
最小固有振動数算出部29は、固有振動数算出部28で得られた各要素6kの固有振動数Xkのうち最小の固有振動数を求める(3×k個の固有振動数のうち最小のものを求める)。これにより、配管系1のうちどの要素6kの何れの方向の振動モードについて振動対策を施すべきかを知ることができる。なお、最小固有振動数算出部29によって求められた最小の固有振動数はユーザインターフェース40の表示部44に表示される。
The
Based on the design data of the
The reference
The correction
The natural
Such a series of processing is repeated by the dividing
The minimum natural
以上説明したように、本実施形態では、拘束点8ごとに配管系1を複数の要素6kに分割する分割工程(ステップS6)と、複数の要素6kのそれぞれについて、固有振動数Xk0が既知である基準モデル7kを当てはめる基準モデル当てはめ工程(ステップS8)と、各要素6kと該要素に当てはめられた基準モデル7kとの相違に基づく補正係数αkを複数の要素6kのそれぞれについて求める補正係数算出工程(ステップS10)と、各要素6kに当てはめられた基準モデル7kの固有振動数Xkに補正係数αkを乗じて、複数の要素6kのそれぞれの固有振動数Xkを求める固有振動数算出工程(ステップS12)とによって、配管系1の振動解析を行う。
このように複雑な形状の配管系1をそのままモデル化するのではなく、配管系1を複数の要素6kに分割し、基準モデル7kとの比較に基づいて各要素6kの固有振動数Xkを求めることで、配管系1の振動解析を簡便に行うことができ、解析に要する時間を大幅に短縮できる。そのため、配管系1のより広い範囲にわたって解析を行うことが可能になり、配管系1の振動特性を正確に把握することができる。よって、プラント試運転段階になってから配管支持構造物(支持部材)の修正を余儀なくされる事態を防ぐことができる。
また、要素6kごとに固有振動数Xkが得られるため、配管系1のどの箇所(要素6k)に振動対策を施すべきかが明確になる。よって、配管系の設計段階で、回転体や往復運動体を備えた機器との共振のおそれがなく、振動に対する剛性に優れた配管系1を容易に実現できる。
As described above, in the present embodiment, dividing step of dividing the
Instead of modeling the
Moreover, since the resulting natural frequency X k for each
また、上述の実施形態では、基準モデル当てはめ工程(ステップS8)を行う前に、固有振動数Xj0が既知である代表モデル4iを複数用意する代表モデル準備工程(ステップS2)を行うようにした。そして、基準モデル当てはめ工程(ステップS8)では、複数の代表モデル4iの中から各要素6kに最も近い代表モデルを基準モデル7kとして選択して各要素6kに当てはめるようにした。
これにより、プラントの配管系1で典型的に用いられる要素を代表モデル4iとして予め用意しておけば、種々のプラントにおける任意の形状の配管系1の振動解析を簡便かつ迅速に行うことができる。
In the above-described embodiment, before the reference model fitting step (step S8), the representative model preparation step (step S2) for preparing a plurality of
Thus, if the elements typically used in the
また、上述の実施形態では、補正係数算出工程(ステップS10)を行う前に、代表モデル4iの固有振動数Xiと該固有振動数Xiに影響する影響因子ajとの関係を示す関数fij(aj)を求める関数算出工程(ステップS4)を行うようにした。そして、補正係数算出工程(ステップS10)では、各要素6kと該要素に当てはめられた基準モデル7kとの影響因子ajの相違から前記関数fij(aj)を用いて補正係数αkを求めるようにした。具体的には、上記式(2)におけるfkj(aj)として、基準モデル7kに対応する代表モデル4iについてステップS4で算出済みの関数fij(aj)を用いて補正係数αkを求める。
これにより、各要素6kの正確な固有振動数Xkを簡便かつ迅速に求めることができる。
In the embodiment described above, prior to the correction coefficient calculation step (step S10), and shows the relationship between the influence factors a j that affects the natural frequency X i and said intrinsic frequency X i representative model 4 i A function calculation step (step S4) for obtaining the function f ij (a j ) is performed. In the correction coefficient calculation step (step S10), the correction coefficient α is calculated using the function f ij (a j ) based on the difference in the influence factor a j between each
Thus, it is possible to obtain an accurate natural frequency X k of the
また、上述の実施形態では、分割工程(ステップS6)、基準モデル当てはめ工程(ステップS8)、補正係数算出工程(ステップS10)および固有振動数算出工程(ステップS12)を、互いに直交する2つの水平方向及び鉛直方向の3方向について繰り返すようにした。
プラントの配管系は、通常、複雑な三次元形状であるから、あらゆる方向の振動が問題になりえる。このため、1方向について解析を行っても、配管系の振動特性を正確に知ることはできないことが多い。そこで、上述のように、互いに直交する2つの水平方向及び鉛直方向の3方向について、分割工程〜固有振動数算出工程を繰り返すことで、複雑な三次元形状の配管系1の振動特性を確実に把握することができる。
In the above-described embodiment, the dividing step (step S6), the reference model fitting step (step S8), the correction coefficient calculating step (step S10), and the natural frequency calculating step (step S12) are performed in two horizontal directions orthogonal to each other. It was made to repeat about three directions, a direction and a perpendicular direction.
Plant piping systems are usually complex three-dimensional shapes, so vibrations in all directions can be a problem. For this reason, even if analysis is performed in one direction, it is often impossible to accurately know the vibration characteristics of the piping system. Therefore, as described above, the vibration characteristics of the complicated three-
さらに、上述の実施形態では、3方向について固有振動数算出工程(ステップS12)で算出した各要素6kの固有振動数Xkのうち最小の固有振動数を求める最小固有振動数算出工程(ステップS16)をさらに行うようにした。
このようにして得られた最小の固有振動数から、配管系1のうちどの要素6kの何れの方向の振動モードについて振動対策を施すべきかを知ることができる。そのため、配管系1への振動対策を効率的に行うことができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, the minimum natural frequency calculating step (step) for obtaining the minimum natural frequency among the natural frequencies X k of the
Thus it was minimal from the natural frequency obtained in, for either direction vibration mode of which
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this, In the range which does not deviate from the summary of this invention, various improvement and deformation | transformation may be performed.
例えば、上述の実施形態では、XYZ方向についてステップS6〜S12を繰り返す例について説明したが、特定の方向における振動解析を行えば十分である場合、その方向についてのみステップS6〜S12を行うようにしてもよい。 For example, in the above-described embodiment, an example in which steps S6 to S12 are repeated in the XYZ directions has been described. However, when it is sufficient to perform vibration analysis in a specific direction, steps S6 to S12 are performed only in that direction. Also good.
また上述の実施形態では、図2に示した振動解析方法を実施するために振動解析装置10(図6参照)を用いる例を説明したが、本発明に係る振動解析方法は振動解析装置10を用いずに行ってもよい。この際、ステップS2〜S16の全部又は一部を自動化してもよい。
In the above-described embodiment, the example in which the vibration analysis apparatus 10 (see FIG. 6) is used to implement the vibration analysis method illustrated in FIG. 2 is described. However, the vibration analysis method according to the present invention uses the
1 配管系
2 配管
3 支持部材
4i 代表モデル
5 屈曲部
6k 要素
7k 基準モデル
8A〜8E 拘束点
9 配管サポート
10 振動解析装置
20 CPU
22 分割部
24 基準モデル当てはめ部
26 補正係数算出部
28 固有振動数算出部
29 最小固有振動数算出部
30 記憶手段(メモリ)
40 ユーザインターフェース
42 入力部
44 表示部
DESCRIPTION OF
22
40
Claims (7)
前記拘束点ごとに前記配管系を複数の要素に分割する分割工程と、
前記複数の要素のそれぞれについて、固有振動数が既知である基準モデルを当てはめる基準モデル当てはめ工程と、
各要素と該要素に当てはめられた基準モデルとの間における、固有振動数に影響するパラメータである影響因子の相違に基づく補正係数を前記複数の要素のそれぞれについて求める補正係数算出工程と、
各要素に当てはめられた基準モデルの前記固有振動数に前記補正係数を乗じて、前記複数の要素のそれぞれの固有振動数を求める固有振動数算出工程とを備えることを特徴とする配管系の振動解析方法。 A vibration analysis method for a piping system having a piping and a plurality of support members for supporting the piping at a plurality of restraint points,
A dividing step of dividing the piping system into a plurality of elements for each of the restraint points;
A reference model fitting step of applying a reference model having a known natural frequency for each of the plurality of elements;
A correction coefficient calculation step for obtaining a correction coefficient for each of the plurality of elements based on a difference in influence factors that are parameters affecting the natural frequency between each element and the reference model applied to the element;
A vibration of a piping system, comprising: a natural frequency calculation step of obtaining the natural frequency of each of the plurality of elements by multiplying the natural frequency of the reference model applied to each element by the correction coefficient. analysis method.
前記基準モデル当てはめ工程では、複数の前記代表モデルの中から各要素に最も近い代表モデルを前記基準モデルとして選択して各要素に当てはめることを特徴とする請求項1に記載の配管系の振動解析方法。 Before performing the reference model fitting step, further comprising a representative model preparation step of preparing a plurality of representative models with known natural frequencies,
2. The piping system vibration analysis according to claim 1, wherein, in the reference model fitting step, a representative model closest to each element is selected from the plurality of representative models as the reference model and applied to each element. Method.
前記補正係数算出工程では、各要素と該要素に当てはめられた前記基準モデルとの前記影響因子の相違から前記関数を用いて前記補正係数を求めることを特徴とする請求項2に記載の配管系の振動解析方法。 Before performing the correction coefficient calculation step, further comprising a function calculation step for obtaining a function indicating a relationship between the natural frequency of the representative model and an influencing factor affecting the natural frequency,
3. The piping system according to claim 2, wherein, in the correction coefficient calculation step, the correction coefficient is obtained using the function from a difference in the influence factors between each element and the reference model applied to the element. Vibration analysis method.
前記拘束点ごとに前記配管系を複数の要素に分割する分割手段と、
前記複数の要素のそれぞれについて、固有振動数が既知である基準モデルを当てはめる基準モデル当てはめ手段と、
各要素と該要素に当てはめられた基準モデルとの間における、固有振動数に影響するパラメータである影響因子の相違に基づく補正係数を前記複数の要素のそれぞれについて求める補正係数算出手段と、
各要素に当てはめられた基準モデルの前記固有振動数に前記補正係数を乗じて、前記複数の要素のそれぞれの固有振動数を求める固有振動数算出手段とを備えることを特徴とする配管系の振動解析装置。 A vibration analysis device for a piping system comprising a piping and a plurality of supporting members that support the piping at a plurality of restraint points,
Dividing means for dividing the piping system into a plurality of elements for each of the restraint points;
A reference model fitting means for fitting a reference model having a known natural frequency for each of the plurality of elements;
Correction coefficient calculation means for obtaining a correction coefficient for each of the plurality of elements based on a difference in influencing factors that are parameters affecting the natural frequency between each element and a reference model applied to the element;
A vibration of a piping system, characterized by comprising: natural frequency calculation means for multiplying the natural frequency of a reference model applied to each element by the correction coefficient to obtain the natural frequency of each of the plurality of elements. Analysis device.
オペレータとの情報のやり取りを行う表示部および入力部を有するユーザインターフェースとをさらに備え、
前記基準モデル当てはめ手段は、前記記憶手段に記憶された複数の前記代表モデルの中から各要素に最も近い代表モデルを選択することを前記表示部によってオペレータに促し、オペレータが前記入力部によって選択した代表モデルを前記基準モデルとして各要素に当てはめることを特徴とする請求項6に記載の配管系の振動解析装置。
Storage means for storing a plurality of representative models with known natural frequencies;
A user interface having a display unit and an input unit for exchanging information with an operator;
The reference model fitting means prompts the operator to select a representative model closest to each element from the plurality of representative models stored in the storage means, and the operator selects the representative model using the input section. The piping system vibration analysis apparatus according to claim 6, wherein a representative model is applied to each element as the reference model.
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