Vibration, dynamics and noise

formerly BETA Machinery Analysis and SVT Engineering Consultants

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脉动和机械分析:往复式泵

该分析包括脉动研究、机械评估、共振风险规避分析,以及按需提供受迫响应分析(根据API674,API688)。

BETA analyzing vibrations on reciprocating pumps
背景

往复式泵(包括隔膜泵、柱塞泵、和其他容积式泵)会用于多种应用中,包括石油生产设施和炼油厂。 

新建或改装的往复式泵系统通常需要脉动和机械分析,以避免如下的典型问题:

  • 过度管道振动和管道故障;
  • 小口径管道连接故障;
  • 压力脉动引起的气蚀现象;
  • 由脉动引起的、不应出现的PSV开启;以及
  • 有害泵阀运动导致的阀寿命短暂、流量降低。

脉动和机械分析需在设计阶段实施。在进行该分析的同时,通常还会进行小口径管道(SBP)分析。如果泵安装于钢结构上时,还需要进行结构振动和动态设计分析。  

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1 分析范围

根据风险和应用,振动控制分析包含不同的方面。标准需求通常包括:

根据应用,可能还会需要以下研究:

这些服务彼此相关联,来综合解决一切关于泵,包括撬块外管道系统的振动风险。请别忘了,北塔还可以为您的设施提供压缩机以及管道系统的振动管理。

为帮助您判断所需的泵应用服务,请参考泵脉动应用标准 (英文, PDF)或者联系我们的应用支持判断您应用的风险类型。

1.1 脉动分析(也称为声学分析)

Vibration analysis of reciprocating pump

DataMiner™ 软件能对数以百计的工况在整个管道系统各个位置显示脉动,脉动力和其它数据。参见为什么 DataMiner 对项目提供有价值的信息。 
阅读更多 

​根据API 674的术语定义,该研究也被称为设计方法2(DA2),并应用于风险等级“中”的机组。风险等级请参见应用标准 (英文, PDF)

其特色功能包括:

  • 工况 用于分析整个工况范围内泵的运行状况。标准服务,不超过评估20个工作条件。
  • 脉动等级 在不同工况下,评估脉动大小。脉动很大程度上受泵阀的行为影响。
  • 扰乱条件 对扰乱条件的效果进行报告,比如泵阀故障的脉动等级,导致柱塞开关失灵等。振动和脉动特性受有效流体端的数量影响。
  • 脉动和其他动力载荷 北塔考虑不同压力、温度、气体组成和速度范围。 为已知工况评估脉动以及其他动力载荷。
  • 压力脉动 北塔将评估压力脉动量级以及脉动,包括使用MAPAK模拟软件评估管道系统的振动力。为了获得精确的脉动分析结果,相比频域法,我们更推荐时域声学模拟。更多脉动软件的信息
  • 脉动控制 使用滤波器、气体缓冲器、可定购的脉动控制容器、节流孔板、谐振器和/或管道改造,来对脉动进行控制。脉动(压力和受力)根据API 674(最新版本)或其他经现场证实的标准进行控制。
  • 压降 北塔的特色分析,可以评估静态和整体压降。整体压降包括动态压降损失。
  • 管道约束或机械评审 本项会通过使用图表、实证计算和良好的工程设计经验,对管道支撑位置进行评估。
  • 结果和报告。北塔的DataMiner软件工具和报告方法,预测泵脉动和工况性能,为您提供具有价值的信息。

这个系统脉动模型用来在系统不同位置,不同工况下计算脉动压力和由其产生的脉动力。本例为一个第三级中间系统。红箭头长短代表力的大小。

降低脉动力示例
   
原始系统
(没有经过脉动控制分析)

经北塔脉动控制处理后
(用时域方法模拟结果)

脉动力大于 11,000 lbf

脉动力小于200 lbf, 远低于允许值
1.2 机械分析

该研究是设计方法2(DA2)API 674条款的一部分,包括以下特色功能:

  • 有限元(FE)模型。北塔能快速构造出精确的泵、容器、管道系统,以及撬块关键区域(若可适用)的FE模型。对于更加精确的结果,可以在模型中包含泵的详细机身模型和/或整个撬块和基础。北塔使用ANSYS为所有FE模型保障精确结果。一些管道有限元(FEA)分析软件,并不推荐用于本应用。
  • 精确度 使用壳体或固体微元,精确建立复杂几何模型。其中包括转动惯性情况。
  • 结构固有频率(MNFs)系统中的关键部件的结构固有频率和振型将在报告中提供。
  • 避免共振  结构固有频率应当在柱塞泵运行速度一倍之上20%,并与其他具有显著力作用的倍频间隔20%。
  • 结果和报告。北塔将提供详细报告,总结建议和机械分析结果。

机械分析需要精确的泵管道系统有限元模型(见上),来测定结构固有频率并避免共振。模型还可以用于受迫响应研究(可选服务,见下),来测定振动幅度和应力大小。为避免问题发生,需要现场经验和测量,来精确提供边界条件、动态力以及可执行建议。

1.3 可选分析

以下为常用可选分析:

  1. 小口径管道连接(SBC) 根据应用和客户的风险容错度,北塔提供一系列服务进行小口径管道的设计、分析和测试。
    关于小口径管道的可选服务
  2. 额外运行工况(超过20个标准工况)对于一些应用,20个工况运行点不能完全覆盖工况和流量控制的范围,不能发现所有潜在脉动和振动问题。北塔可以协助您,选择合适数量的工况进行分析。
  3. 受迫响应分析  当避免频率重合的建议不能达成或实施时,我们推荐进行此项研究。该研究包括所有重要的泵受力(包括流体力、脉动力、扭距等),并且将根据API  674标准进行振动和应力评估。该研究在下列两种位置施行:
    • 泵主块系统-包括对缓冲罐、泵主机的周围管线;以及
    • 泵主块以外的管线系统.当脉动力大于允许值,或避免共振的分析推荐不能实施时,推荐进行该研究。
  4. 撬块外或工作站管道  北塔将提供泵机组撬块外的管道脉动评估(若有相关信息)。当冷却器和/或涤气罐位于泵撬块外时,或当需要对汇管以及整个管系进行脉动分析时,该附加分析非常重要。
  5. 多机组分析(机组间相互作用)当多个泵彼此并联或串联时,北塔将针对汇管以及管路系统,包括机组间的相互作用进行脉动分析。

水锤分析,也称为流体系统的瞬态喘振分析,是另一种可选研究。当往复式泵和管道系统被瞬态事件,比如停电、阀门摆动、检查阀门撞击以及其他原因影响时,需要进行该研究。有些操作方要求调查系统瞬态扰乱条件下状况,来保证系统完整性。请见水锤分析

2 北塔优势

北塔机械分析公司是全球脉动分析的领军者,具有独一无二的优势:

  • 北塔早在1970年代就成为了数字声学模拟发展的佼佼者。
  • 从那时起,该公司每年都会大力投入于声学模拟工具开发和现场验证,以保证其MAPAK软件处于世界领先水平。目前Mapak软件基于时域分析,包括非线性流体动力,及根据时间变化的边界条件;这是更高频域声学模拟分析的重要特性。这些重要的特性功能,也是其它小公司所使用的商用软件所不具备的。
  • 更多优势特性,包括更优化的工况分析、更精确的边界条件以及更优化的撬块外管道分析。
  • 更好的质量控制和项目管理经验。注重质量、技术评审,以及有效的客户交流,造就更成功的项目。
  • 切实的应用建议,以及跟踪客户服务。
  • 研究遵循API618。
  • 及时、实际的建议。
  • 北塔有全职的现场工程团队,提供全球性的启动检查或现场服务。
  • 使用经过现场验证的脉动和机械振动模拟方法。其他公司只能提供理论性的结果,因为他们缺乏全职的现场工程师,无法提供在设计阶段必要的现场数据对模型进行精度调整。
  • 我们的客户支持服务位于美国的休斯敦;加拿大的卡尔加里;马来西亚的吉隆坡;以及中国的天津。
  • 北塔提供完整的集成振动解决方案——包括压缩机、泵以及管道系统的设计和现场支持。该方法能为您保证可靠性和综合管理的需求。
  • 北塔参与(领导)美国气体机械研究委员会进行工业研究项目。北塔也因此获得了专家级的知识累积和项目经验。
  • 北塔也是API和GMRC振动委员会的活跃成员。
3 客户利益

作为全球脉动设计服务的领导者,北塔能够提供一系列独一无二的服务和功能,包括精确的脉动和机械分析,为成撬商、工程公司和业主带来利益。这些利益包括更高的系统可靠性、最小的压降和能源损耗,更快的设计时间,优化的容器尺寸,以及更低的整体成本。 其他利益还包括:

  • 整个管道系统的脉动力控制
  • 管道系统和容器振动最小化
  • 完整评估工况范围
  • 综合平衡所有矛盾需求的建议(脉动控制、压降、机械约束条件和实施方案的可操作性)
  • 为现场分析和监测做出有效的报告和分析 
4 相关信息

​往复式泵的脉动和机械分析,和针对往复式压缩机的相关分析十分相似。为了解释这个问题,请参见我们的知识中心,观看该类问题的视频和文章。

​泵相关文章:

视频示例:

视频和动画(请见脉动和泵视频)

5 相关服务

般性研究将与脉动和机械分析同时进行:

6 关键词
  • API 674脉动分析 
  • 声学研究
  • 缓冲器

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