Vibration, dynamics and noise

formerly BETA Machinery Analysis and SVT Engineering Consultants

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管道支架刚度, GMRC研究项目

提高管道系统可靠性

1 行业挑战

管道支架用于固定工艺管线,防止有害振动。对防振应用来说,管夹的作用在于减小振动。这主要取决于支撑的刚度和位置。

图表1  套管式卡箍和柱型支架

图表2  具有单楔块和混凝土闸墩的管夹

图表3  具有双楔块和梁式支架的管夹

图表4  欠佳的支架设计

管道支架系统的刚度取决于以下两点:

  • 管夹自身的刚度,以及
  • 管道下方(用于钳夹管道的)结构的刚度

图表1到图表3展示了典型的管道支撑系统。管夹系统的精确刚度对于判断管道固有频率非常重要,而管道固有频率会决定高幅振动是否发生。管道固有频率会随着支架之间空隙的大小、以及支架自身刚度的变化而变化。

管道支架还会影响管道应力分析(也称为管道柔性研究或热学分析)的结果。同样的刚度值,可以用于判断管道固有频率,也可以用于柔性研究,来判断管道应力和变形、约束力的反作用力和设备管口载荷。

业内普遍存在的问题 是由管道支架刚度的不正确假设引起的。当前许多工程公司的做法是,假设管道支架是刚性的(比如,1E12 lb/in)。实际上,管夹和支架系统有一些柔性(比如1E5 - 1E6 lb/in)。这意味着,管道工程师的假设的刚度,比实际安装的刚度高100万倍。

不正确的刚度假设会造成(昂贵的)代价,比如:

  • 计算的管道固有频率比现场测量出的管道固有频率更高,导致高幅管道振动。
  • 也许不会需要热循环管
  • 移除管夹(以解决热学问题),会导致高幅管道振动。
  • 由于管道挠度和喷嘴载荷高于预期,导致管夹和设备损坏。

这些问题通常由于以下两个问题引起:

  • ​对问题缺乏认识和信息;以及
  • 当事的工程公司,不具备判断实际刚度值的经验/能力。比如,这项工作需要专业的有限元分析(FEA)软件(ANSYS),以及正确进行刚度建模的知识。

为设计良好的支架,第五版的API618标准,对支架刚度给出了尝试性的行业指导标准,建议了最小刚度值。然而,该标准并没有针对不同类型的管夹设计和不同的支架结构设计,公布各自的刚度值(比如混凝土闸墩、梁支架,或高架柱)。

该项目需要调研不同类型的管夹和支架设计的刚度。将对刚度计算对安装变化的敏感度、以及管道固有频率对管道刚度的敏感度,进行简要的调研。

2 项目成果

项目具有两个成果:

  • 针对新设备,提供管道支架刚度评估和应用的最佳实践,包括案例研究,比如标准分析要求、“宜做和忌做”,来让管道工程师明白如何设计和更新系统——以避免类似于图表4中的不佳设计。
  • 提供NPS2”-40”范围内20种管道支架尺寸的刚度值表单,该表单包含管夹/支架的轴向、横向、纵向和扭转刚度,可用于工程顾问(EC)参与管道设计布局、管道应力分析以及机械分析。
3 行业利益

许多天然气厂和压缩机站饱受管道支架设计欠佳之苦。不正确的管道刚度假设每每被使用,并造成昂贵的振动和应力问题。获取精确的刚度值,将极大提高管道系统的可靠性。

4 相关服务

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