Vibration, dynamics and noise

formerly BETA Machinery Analysis and SVT Engineering Consultants

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管道振动案例

这里的案例说明了多种管道振动问题。客户需要进行高级振动分析来解决这些动态振动问题:流激振动(FIV)、声激振动(AIV)、以及其他常见问题。北塔建议,在设计阶段即进行管道振动评估,以避免在投产运行后,再进行昂贵的管道改造。

1 氢/丁烷气体压缩机(FIV案例)

该炼油厂使用了大型离心式压缩机。其管道系统如下所示(左图)。振动问题发生在为三个干燥机给气的汇管处。

正常情况下,气体经过两个干燥机,并未发生振动问题。当操作变化时,操作员仅使用一台干燥机。当气体只流经一台干燥机时,操作员测量到了汇管发生了较大振动,如红色箭头所示位置(上右图)。

客户雇佣了北塔现场团队进行问题的分析和处理。北塔在现场测量了固有频率、振动位移、压力脉动、操作振形以及其它参数。经过结果评审,确认了振动是由复杂的FIV问题引起的。请注意,FIV也被称为涡流分离或涡旋脱落。

一种解决方案是,通过改变进料汇管的长度,以及干燥机A和B进料阀间的距离,消除流体引发的激励。该做法代价昂贵,因此北塔设计了新方案,在特定位置安装支架,从而转移机械固有频率,避免共振。

我们建议在设计阶段,即为离心式压缩机系统进行FIV风险评估,可以避免投产运行后,再进行昂贵的管道改造。

2 涡轮膨胀机/增压式压缩机(FIV案例)

该深井燃气厂,需要工艺手段,去除天然气流中的乙烷和丙烷。为了节省能源,使用了涡轮膨胀机,来代替低效昂贵的焦耳汤普森阀门(Joule-Thompson Valve)。

该公司委托北塔来处理高架进气管道系统的严重振动问题。由于问题过于严重,导致操作人员担心管道故障事故,不愿意进入现场。如下图所示,该管道系统非常复杂,并有很多无连通管路。

北塔测量到15Hz时进气无连通管路的较大脉动,其与计算出的斯托哈尔频率(Strouhal frequency)一样。这就确定了,该激励力是由15Hz脉动引起的,是一个FIV问题。

标准的FIV问题,会在四分之一波长脉动固有频率(ANF)和激励频率(15Hz脉动)重合情况下发生;但在本例中的问题,比标准FIV问题要复杂的多。我们检测、分析了所有相关的盲管,发现没有一个符合15Hz频率(四分之一波长ANF)。

那么,如何解释这种管道共振和剧烈振动呢?

在评审了管道几何的更多细节之后,北塔发现组成汇管和盲管的整个管道部分有15Hz的ANF——这是很罕见的。在发现了FIV问题的根源之后,北塔即提出了减缓共振问题的改造建议。

该案例说明,评估ANF问题可能会非常复杂,需要专业的脉动分析工具以及分析技术。北塔的软件工具能提供高性价比的方法,在设计阶段即可辨别并避免此类风险。

3 离心式压缩机的FIV和AIV分析

客户雇佣北塔,为发电用的大型离心式压缩机进行管道振动评估。当该压缩机的循环阀处于40%开启状态时,检测到比23%开启状态时,更大的管道振动。

下图显示,主管道系统包括了热循环管和冷循环管。高振动区域如虚线圆圈所示。北塔的工程设计团队辨别出了许多可能发生FIV和AIV的区域,其都有可能成为激励源。

我们详细评估每个潜在的FIV和AIV区域,包括不同的操作工况(流量、温度等)。通过深入分析,北塔确定了可能导致问题发生的一个FIV区域和一个AIV区域。

建议改造阀芯,以降低AIV问题的风险。要减轻FIV问题,则需要避免特定的流量。这种方法并不是每次都有效的,因此需要提供其他方法。该案例就说明了FIV和AIV结合风险,对管道系统产生的影响。

4 商用燃气管道的振动问题(燃气厂案例)

在亚洲的一个天然气厂,30英寸(75厘米)的商用天然气管线存在高振动问题。在安装了新的噪音控制压力阀门后,主管道在高流/高压降工况时,会出现明显的振动。北塔员工执行了现场振动调查,设法找到控制管道振动和整体性问题的可能方案。

基于现场分析,控制阀上游管线的振动是由气流诱发的激励(FIE,也叫做FIV)引起的,发生于气体流经盲管时。盲管产生涡流,并被盲管中的驻波放大。脉动经管道传播并引起了振动。

有三个方案可以减轻激励力。这些选择包括:改造旁路阀的操作;略微改动无连通管路的接口处;以及通过移除回收阀,对管道的几何布局进行改动。

某些气流条件下,在膨胀循环管道中,能观察到非常高的振动。这些区域的管道支撑松散,管道系统中的不平衡力会导致这些管线中的高振动。如果FIV产生于控制阀附近的无连通管路,并无法控制,则可通过加固膨胀循环管道的刚度来控制振动。北塔为弯头处的支撑梁提出推荐方案。除了这些管道支撑建议之外,还需要进行管道应力分析,以保障这些另加支撑不会产生热应力问题。

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