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丁二烯换热器出口管道振动原因分析及阻尼减振技术研究

2015/2/9 11:01:00
文章来源:网络

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丁二烯换热器出口管道振动原因分析及阻尼减振技术研究
刘明,何立东,裴正武
(北京化工大学诊断与自愈工程研究中心,北京100029)
摘要:针对天津某石化公司丁二烯换热器出口管道振动问题,根据测得的管道振动情况,运用有限元分析软件对管道进行了模态分析及支撑结构的模拟选型计算,并结合实际情况,提出了管道振动的解决方案。运用阻尼减振技术,在不停机、未改变管道原有结构布置、未改变原有流量等参数的情况下,在管道的适当位置安装阻尼器,有效降低了管道系统的振幅,消除了管道振动产生的安全隐患。
关键词:管道振动有限元分析阻尼器
换热器是广泛应用于化工、石化、动力、制冷等领域的重要热能交换设备[1],换热器及其附属管道振动对企业安全生产造成重大安全隐患。强烈的管道振动不仅会使管道焊缝处产生裂纹,管道的阀门和法兰处紧固螺栓松动,造成连接不紧,同时会导致阀门强烈振动和三通或者弯头处焊缝破裂,造成内部输送介质泄漏,严重时会导致易燃易爆介质发生爆炸[2]。此外,管道振动会使换热管跨中处因互相碰撞磨损而导致泄漏失效,使换热管在折流板部位因磨损或剪切而失效,使换热管因振动作用引起疲劳而破坏[3]。因此,解决管道系统的振动问题,可以有效防止焊缝断裂、介质泄漏、系统停车、爆炸等安全隐患,对于企业安全生产具有重大意义。
本文通过现场测量天津某石化公司丁二烯E510换热器出口管道振动情况,运用有限元软件对管道系统进行模态分析,由分析得出管道振动原因。在不停机、未改变原有管道结构布置、未改变原有流量等参数的情况下,运用阻尼减振技术,在管道的适当位置安装阻尼器,大幅度降低管道振幅,取得了很好的减振效果。
1·换热器出口管道振动情况
丁二烯E510换热器及其附属管道见图1和图2所示。管道公称直径350mm,管壁厚度11mm,传输介质为水和蒸汽。管道空间走向复杂,有多个连续弯头,管道内介质流向急剧变化而引起管道受激振动。此外,由于管道中的传输介质为水和蒸汽,管道压力随汽液两相介质状态的变化而发生改变,从而加剧了管道的振动。长度10余米的管道仅有一个活动支撑,且该支撑只起到承重作用,不承受冲击载荷。管道系统在不同位置振幅不同,其最大位移幅超过20mm,振动冲击较大。


2·振动原因分析
天津某石化公司丁二烯E510换热器及其附属管道产生振动的原因归纳起来主要有以下4个方面:
(1)管系布置受空间限制,或在设计时考虑管道热胀冷缩等原因,采用弯头、三通较多,介质在弯头、三通位置流向发生急剧变化,从而引起管道振动[4];
(2)由于热胀冷缩等原因,管道的支撑多为活动支撑,导致管道的约束少,更加容易产生振动;
(3)管道发生结构共振导致整个系统振动;
(4)换热器管道中多为汽液两相流,管道压力随汽液两相流的变化而发生改变,造成管道的振动。
3·阻尼减振分析
粘滞性阻尼器是一种应用广泛的耗能减振设备。当外界把振动传递到阻尼器时,阻尼液和阻尼器的内部动体之间产生相对运动。阻尼液具有高粘度、高附着力的特点,阻尼器内部动体带着大量阻尼液缓慢运动,阻尼液分子之间相互拉扯,相互剥离,产生了强大的摩擦力和剪切力,来阻碍阻尼器动体的运动,即提供巨大的阻尼来耗散机械振动能量。动体把阻尼液提供的阻尼力反馈给机器设备,相当于增加了整个系统的阻尼,因此系统振动能够被有效抑制,最终达到减振的目的。
将丁二烯E510换热器及其附属管道系统简化成一个质量块,该质量块同时受到外界激振力、弹簧力和阻尼力的作用。图3为其力学模型。

式中:m———系统质量;
c———粘性阻尼系数;
k———刚度。
公式(1)中,第一项为整个系统的惯性力;第二项为阻尼力;第三项为弹性力;第四项为外界激振力。
管道系统固有粘性阻尼系数c(单位kg/s)一般很小,可忽略不计。但是当外界激振力等条件不变,而将粘性阻尼系数c增大时,系统振动幅值有着明显改变,见图4。随着粘性阻尼系数c的增大,系统振动幅值逐渐降低。当粘性阻尼系数增大至原来的3倍时,系统振幅下降近55%,这说明阻尼力对于抑制系统振动有明显效果。

4·减振方案实施及效果
4.1利用有限元软件对管道系统进行模态分析
为了提出管道振动的解决方案,需要运用有限元分析软件对管道进行模态分析及支撑结构的模拟选型计算,确定阻尼器的规格及其安装位置。采用有限元Ansys软件建立管道模型,见图5,对管道振动的模态进行模拟分析。图6是第一阶振型图,与现场振动情况最为接近。从图6可以看出,管道上A、B、C三处由于振动原因分别运动至A'、B'、C'处,三处均属于振动较大位置。因此计划在A、B、C三处各安装一个阻尼器,控制管道各向振动。


4.2阻尼器支撑结构的选型设计
根据现场实际情况,通过选型设计和Ansys模拟计算,设计了两种安装结构:支撑横梁一端悬臂结构和支撑横梁两端固定结构。就两种结构的稳定性及结构应力做以下分析比较。
4.2.1支撑横梁一端悬臂结构
将支撑横梁一端与原有钢结构焊接,另一端悬臂,并焊接斜支撑梁对主支撑横梁进行加固,其结构见图7。

工程实践表明,斜支撑梁对钢结构的稳定性起着十分重要的作用[5],但斜支撑梁与主横梁间的水平夹角应如何确定,并无标准化参考。就该问题做以下分析比较:在主支撑横梁两侧分别焊接一个斜拉梁,两斜拉梁与主横梁位于同一水平面内,水平方向夹角为ψ。分析斜拉梁对支撑结构稳定性的影响,见图8。
不同水平夹角计算的数据统计见表1。比较发现,在相同支撑结构、相同载荷条件下,斜拉梁对结构的稳定性有极大的改善作用。但斜拉梁与主支撑横梁之间水平方向的夹角并非越大越好,以该结构为例,斜拉梁与主支撑横梁之间的夹角为30°时,效果最佳。

4.2.2支撑横梁两端固定结构
支撑横梁一端悬臂结构是工程实践中较为常见的支撑结构,但是由于其自身悬臂的缺点,往往无法达到最佳的使用效果。经模拟计算分析发现,如果将支撑横梁一端悬臂结构的悬臂端与原有钢结构搭接相连,支撑结构的稳定性能够明显改善。支撑横梁两端固定结构见图9。

计算得到的数据见表2。比较数据发现,在相同载荷条件下,支撑横梁一端悬臂结构与支撑横梁两端固定结构在稳定性及结构应力方面有较大差异,后者的最大总位移较前者减小近49%,最大应力减小78%,见图10。因此,支撑结构应尽量避免悬臂形式,将支撑结构悬臂端固定,结构的稳定性有大幅度提升。
4.3工程实际效果
经分析后确定,现场施工采取支撑横梁两端固定结构,并在主横梁两侧每间隔1m焊接一个加强筋板。安装阻尼器后,管道振幅有大幅度的降低,最大位移由改造前的20mm减小到1mm以下,振动减小90%以上,管道的振动得到有效的控制,得到了用户的好评(现场安装图见图11)。

5·结语
(1)管道阻尼减振技术可有效地降低换热器管道系统的振幅,消除了管道振动产生的安全隐患。
(2)将支撑横梁一端悬臂结构的悬臂端搭接固定,能够使支撑结构的稳定性大幅提高。
(3)阻尼器能够在不停机、未改变原有管道结构布置、未改变原有流量等参数的情况下安装。
参考文献:
[1]刘晓红.螺旋隔板换热器的研究现状及应用[J].机电工程技术,2008,37(7):52-54.
[2]姜阳,何立东,伍伟.丙烷塔空冷器集合管管道阻尼减振技术研究[J].石油化工设备技术,2011,32(2):19-24.
[3]金志浩,金文,王文江,等.振动分析在管壳式换热器设计中的应用[J].沈阳化工学院学报,2001,15(1):57-60.
[4]张卫义.内压圆柱形压力容器大开孔率开孔补强结构及其应力集中系数规律的研究[D].北京:北京化工大学,2000:76-77.
[5]钟芳,王文龙.斜支撑对于机构稳定性的作用[J].中国高新技术企业,2010,139(4):134-136.

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