管道振动和整体评估

根据美国能量研究所标准

管道系统会出现由振动导致的故障。为了降低整体风险，管道振动评估在设计阶段就应当进行，并且在运行阶段还应该在高风险位置进行检测。这里讲的管道振动分析（评估）基于美国能量研究所（EI）标准，以及其他可适用方法。
请见EI标准避免振动导致的损耗损坏 （英文）     

      

美国能量研究所标准是判断和解决管道振动风险问题的推荐方法。北塔在管道热应力分析、动态振动分析、瞬态流以及其他相关研究中，具有广泛的专家级经验。拥有数十载实地现场的管道振动问题解决经验（故障排除），我们能为您提供独一无二的方法，具有独特优势。

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1 背景

图1：管道损耗损坏造成的严重安全和环境问题

管道振动问题，在陆上和海上采油设施、管线站点、炼油厂和石化厂都无处不在。业主对这些整体问题都极端敏感，因为管道破裂，内容物泄漏会造成非常严重的后果。

近期，关于管道故障引起的爆炸、伤亡、环境伤害，造成了海陆泄漏事故、法律诉讼以及工厂关闭等新闻，饱受关注。  

振动会引发设备的可靠性问题，以及工艺管道、包括释放管线、仪器端口、接口、排污管线和阀门的小管径连接处的损毁。压缩机机组和泵机组的振动也是可靠性问题，但不包括在管道整体评估分析中，另有详述。

2 海上和陆上设施的管道风险

图2：管道故障示例： ​

图3：浮式生产储运油轮（FPSO）上紧凑的管道布局

燃气电厂、炼油厂、管道、泵和压缩机站

管道评估中，常见的管道风险分析内容包括：

• 评估小口径管道连接（SBCs）以及分支与主工艺管道的连接处的振动。这些小型分支，口径通常小于8厘米（3英寸），是引起整体问题最常见的原因。即使主工艺管道的振动处于可接受范围，但振动在小口径连接处会被放大并引起故障。对于大型设备来说，有成千上万的SBC，会引起整体风险。
• 工艺管道的振动，会引起接口和T形管的振动应力过大，并导致损坏。
• 旁路管线、PSV或释放管线的损坏。
• 瞬态相关事件，比如启动、紧急停机，或开关阀门,会引起气体或液体的动量变化(水锤现象)，产生过度压力。
• 管道支架的磨损和损坏。  
• 管道热应力分析和管道防振设计需求会产生矛盾。如果不在设计时平衡处理机械振动（增加刚性，控制振动）和管道热应力分析（增加柔性，热应力分析）的矛盾，那么管道系统会因应力过大造成故障风险。
• 在海上设施中，管道布局通常比较紧凑，管道之间所留空间也很有限。正如图3所示，紧密布局为控制管道振动带来了特殊的挑战。
• 高架管道经常被用于连接，旋转设备和高处的冷却器、容器或汇管。高架管道系统，通常比夹固好的管道或埋设管道柔性大，因为要设计支撑好，刚性足够的管道支架（来防止振动）比较困难。
• 出于安全需求，通常需要在小口径管道连接处安装“ 双关双断”阀。这些阀门的形状以及过大的悬吊质量，更容易引发应力过大和故障。

3 概览

以下是管道整体评估的概览，其中包括美国能量研究所评估，静态应力分析，以及现场振动审查： 

以下图表总结了每个研究的需求：

类型	分析	系统	何时需要
美国能量研究所评估	小口径管道连接（SBC）	所有流体	所有未加固或加支撑的连接处
	流激紊动（FIT）	所有流体	没有适当支撑的高速流系统
	流激振动（FIV）	仅气体系统	具有盲管段的高速流系统
	声激振动（AIV）	仅气体系统	减压装置，比如阀门和节流孔板
	水锤	仅流体系统	放空阀和紧急停机事件
	动量改变	仅气体系统	排污阀或PSV排放事件
	气浊/闪蒸	仅流体系统	减压装置，比如阀门和泵
静态应力分析	管道热应力分析	所有流体	高温高压变化
	管道外界载荷	所有流体	当地规则和要求（比如，地震带）
	约束和结构设计	所有流体	柔性支撑需求，或高风险管道振动
	机械和设备管口载荷分析	所有流体	接口许用值低的机械和设备
高级研究	压缩机喘振控制	离心式压缩机振动	低惯性矩,压力比高，复杂系统
	管壁横截面声学分析（STA）	所有流体（但通常为气体系统）	压缩机和泵附近的薄管壁管道
	脉动分析	往复式压缩机系统	高压、高能量系统
	管道动态应力分析	往复式机械系统	高压、高能量系统
	瞬态脉动	仅流体系统	多工况，多并行机组复杂工况
现场评审	管道振动（稳定状态）	所有流体	支撑欠佳，振动大的区域
	机械固有频率（MNF）分析	所有流体	高频振动、欠支撑区域
	管道振动（瞬态）	所有流体	当瞬态事件引发高频振动
	管道应变	所有流体	疑似高频振动区域
	小口径管道连接振动	所有流体	所有未加固或加支撑的连接处

北塔的管道振动评估中，所包含的激振源 :

-FIT （流激紊动） -FIV （流激振动） -AIV （声激振动） -STA （管壁横截面声学分析）

4 管道振动和整体分析——范围

北塔推荐，使用美国能量研究所（EI）标准作为粗略评测方法，因为其具有严格的、系统性的步骤来处理评价振动风险。该评估过程，会调查主要工艺管道和小管道。瞬态和稳态工况都应当包含于管道振动和整体评估之中。 

北塔在设计和现场监测阶段，整体性方案均能比EI标准更完善。基于在过去45年中管道振动评估的经验，我们能为您提供额外的特色分析。

根据情况，推荐分析范围将有所不同：

• 对于大型管道系统，我们推荐完整的管道振动和整体分析（罗列如下）。
• 其中，分析限定于小口径管道连接处（SBC），或分支连接处：
  • SBC评估
• 对于特定的机械应用，则推荐较窄范围的管道分析： 
  • 流激振动 （FIV）（尤其针对于离心式压缩机应用）
  • 流激紊动 （FIT）
  • 声激振动 （AIV）
  • 管壁横截面声学分析 （STA）分析
  • 水锤分析（流体系统）
  • 燃气压缩机管道瞬态分析
• 在很多应用中，还需要进行管道热应力分析，通常与振动服务结合。 
  • 管道热应力分析

业主和工程公司（EC）可以在项目初期就参考北塔意见，来执行具体工作。让北塔参与初期工作，可以节省时间和金钱，不必在设计后期阶段或建设过程中对管道再进行调整和返工。 

图4：炼油厂的管道整体评估（超过1000条工艺线）。我们可以帮您判断故障高发区域，并提供 后续的推荐方案，减少振动引发的风险乃至故障。

采用EI标准的阶段式方法。

1. 定性评估，通过激振源初步评估风险等级；
2. 定量评估，高风险区域，判断故障可能发生的区域。专业判定高风险区域，提供改造建议。
3. 对已竣工设施和新设施进行现场调查和测量

先关注安全风险高或经济价值高的系统。系统的其他区域将在其后评估，保证所有潜在问题均已被发现。 

前期工程设计（FEED）阶段. 我们推荐，在管道设计和机械系统设计（包括拟建撬块和基础计划）中，进行振动设计评审。该评审能为振动控制策略和工程工作提供宝贵参考，并为优化设计过程提供建议。可交付成果包括，振动工程和动态分析的分析范围、使用方法、标准建议。进度表以及设计注意事项。

为保证整体性的振动设计，分析应当包括往复式压缩机和泵、离心式压缩机和泵的管道和支撑系统，以及基础和结构支撑。  

细节设计阶段。该阶段分析范围包括：

1. 根据美国能量研究所方法，评估管道系统，判定故障频发（LOF）区域。
2. 评估小管径管道设计标准，以及管道支架的动态载荷假设。
3. 提供减少整体风险的建议。
4. 按需实施具体分析（比如，FIV、AIV、脉动分析，瞬态研究等）。
5. 在高风险和小管道接口处，计算振动极限的许可值。
6. 将振动分析结果应用于项目其他分析领域，如往复式设备、离心式设备的管道系统，基础和结构的动态分析。
7. 为现场基线测量准备测试计划（比如：设备调试和运行阶段）。

图5：使用有限元分析（FEA），计算小口径处的应力

设备调试和运行阶段 

1. 设备运行时，进行基线振动检查来验证振动等级。测量小口径管道连接处的结构固有频率 (MNF），调查管道支架的管道应变和对齐，并按需执行瞬态振动测量。
2. 对限于实际情况不能彻底改造的项目，提供合理建议和进一步排除故障的方法。

执行此类工作，需要经验丰富的动力学专家，并且通晓软件工具，具备现场能力。

​请阅读，了解更多关于适合供应商的需求

5 北塔优势

北塔具有独一无二的管道振动经验和技术，包括为大型管道项目进行评估。北塔拥有必备资质，完成上述所有分析。

在近50年中，北塔在机械和管道系统的振动分析中遥遥领先，是全球认可的业内领军企业。

我们的资质包括：

图6：北塔现场测试项目，包括多通道采集

图7：炼油厂管道振动评估示例，包括故障排除的支持服务

• 具有广泛的管道系统专业经验，涵盖炼油厂、石化厂、管线站点、注水设备，以及海上作业平台和浮式生产储运油轮。
• 评估技术，评估工艺管道和小口径管道连接分支，包括使用高性价比方法来判断是否会发生由振动引起的故障。
• 采用美国能量研究所标准和其他可应用的方法和标准，实施主要项目。
• 自主专利，现场验证的软件工具，精确为管道系统建模，评估振动和应力，并评价改造的有效性。现场验证工具和技术，是保证成功的关键因素。缺乏经验或者标准FEA软件工具便难于获得精确结果。业界也看到很多这样的例子。
• 我们和国际研究机构，比如美国气体机械研究委员会，协力投身于三个领域大型项目研究中，致力于为管道和机械振动寻找解决方案。
• 自主开发产品，解决高风险振动问题。
• 咨询服务包括管道设计、小口径管道评估、根源问题分析、故障排除、以及对高振动风险的判定和解决

6 结论

为解决管道整体的振动风险，许多设备运行商实施了管道振动和整体分析（管道振动审核）。避免这些风险，能为员工、管理者、操作员以及股东和社会，都带来许多利益。这些利益包括：

• 增加安全性
• 降低环境风险
• 增加设备运行时间
• 减少意外关机和故障
• 为整个管理系统提供精确的整体数据
• 降低整体操作风险

7 相关信息

• 管理振动的集成方法
• 成功进行振动分析的提示
• 管道振动和整体评估（英文，PDF)
• 小口径连接的整体评估（分支连接处）（英文，PDF） 
• 培训：管道振动（英文，PDF)
• 分析范围：管道振动评估（英文，EI研究）
• 美国能量研究（英文) 

8 相关服务

• 评审和设计支持
• 小口径管道连接（SBC）评估
• 声激振动（AIV）分析
• 流激紊动（FIT）分析
• 流激振动（FIV）分析
• 管壁横截面声学分析（STA）
• 水锤分析
• 管道热应力分析
• 故障排除（根源问题分析）​

9 关键词

• 美国能量研究所标准2008
• 管道振动
• 振动引发的管道故障
• 振动引发的损耗损坏标准
• ISBN 978 0 85293463 0
• 管道系统的振动

更多信息

管道支架刚度, GMRC研究项目  •   小口径管道的瞬态工况  •   振动分析的成功要诀  •   管道设计注意事项  •   管线振动实际举例  •   管道振动案例  •   压缩机、泵、以及管道系统控制振动风险的整体性方法  •