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丁二烯換熱器出口管道振動原因分析及阻尼減振技術研究

點擊:1765 日期:[ 2014-04-26 22:51:18 ]
          丁二烯換熱器出口管道振動原因分析及阻尼減振技術研究                              劉明,何立東,裴正武           (北京化工大學診斷與自愈工程研究中心,北京100029)    摘要:針對天津某石化公司丁二烯換熱器出口管道振動問題,根據測得的管道振動情況,運用有限元分析軟件對管道進行了模態分析及支撐結構的模擬選型計算,并結合實際情況,提出了管道振動的解決方案。運用阻尼減振技術,在不停機、未改變管道原有結構布置、未改變原有流量等參數的情況下,在管道的適當位置安裝阻尼器,有效降低了管道系統的振幅,消除了管道振動產生的安全隱患。    關鍵詞:管道振動 有限元分析 阻尼器    換熱器是廣泛應用于化工、石化、動力、制冷等領域的重要熱能交換設備[1],換熱器及其附屬管道振動對企業安全生產造成重大安全隱患。強烈的管道振動不僅會使管道焊縫處產生裂紋,管道的閥門和法蘭處緊固螺栓松動,造成連接不緊,同時會導致閥門強烈振動和三通或者彎頭處焊縫破裂,造成內部輸送介質泄漏,嚴重時會導致易燃易爆介質發生爆炸[2]。此外,管道振動會使換熱管跨中處因互相碰撞磨損而導致泄漏失效,使換熱管在折流板部位因磨損或剪切而失效,使換熱管因振動作用引起疲勞而破壞[3]。因此,解決管道系統的振動問題,可以有效防止焊縫斷裂、介質泄漏、系統停車、爆炸等安全隱患,對于企業安全生產具有重大意義。    本文通過現場測量天津某石化公司丁二烯E510換熱器出口管道振動情況,運用有限元軟件對管道系統進行模態分析,由分析得出管道振動原因。在不停機、未改變原有管道結構布置、未改變原有流量等參數的情況下,運用阻尼減振技術,在管道的適當位置安裝阻尼器,大幅度降低管道振幅,取得了很好的減振效果。    1·換熱器出口管道振動情況    丁二烯E510換熱器及其附屬管道見圖1和圖2所示。管道公稱直徑350 mm,管壁厚度11mm,傳輸介質為水和蒸汽。管道空間走向復雜,有多個連續彎頭,管道內介質流向急劇變化而引起管道受激振動。此外,由于管道中的傳輸介質為水和蒸汽,管道壓力隨汽液兩相介質狀態的變化而發生改變,從而加劇了管道的振動。長度10余米的管道僅有一個活動支撐,且該支撐只起到承重作用,不承受沖擊載荷。管道系統在不同位置振幅不同,其最大位移幅超過20 mm,振動沖擊較大。                                2·振動原因分析    天津某石化公司丁二烯E510換熱器及其附屬管道產生振動的原因歸納起來主要有以下4個方面:    (1)管系布置受空間限制,或在設計時考慮管道熱脹冷縮等原因,采用彎頭、三通較多,介質在彎頭、三通位置流向發生急劇變化,從而引起管道振動[4];    (2)由于熱脹冷縮等原因,管道的支撐多為活動支撐,導致管道的約束少,更加容易產生振動;    (3)管道發生結構共振導致整個系統振動;    (4)換熱器管道中多為汽液兩相流,管道壓力隨汽液兩相流的變化而發生改變,造成管道的振動。    3·阻尼減振分析    粘滯性阻尼器是一種應用廣泛的耗能減振設備。當外界把振動傳遞到阻尼器時,阻尼液和阻尼器的內部動體之間產生相對運動。阻尼液具有高粘度、高附著力的特點,阻尼器內部動體帶著大量阻尼液緩慢運動,阻尼液分子之間相互拉扯,相互剝離,產生了強大的摩擦力和剪切力,來阻礙阻尼器動體的運動,即提供巨大的阻尼來耗散機械振動能量。動體把阻尼液提供的阻尼力反饋給機器設備,相當于增加了整個系統的阻尼,因此系統振動能夠被有效抑制,最終達到減振的目的。    將丁二烯E510換熱器及其附屬管道系統簡化成一個質量塊,該質量塊同時受到外界激振力、彈簧力和阻尼力的作用。圖3為其力學模型。                 式中:m———系統質量;    c———粘性阻尼系數;    k———剛度。    公式(1)中,第一項為整個系統的慣性力;第二項為阻尼力;第三項為彈性力;第四項為外界激振力。    管道系統固有粘性阻尼系數c(單位kg/s)一般很小,可忽略不計。但是當外界激振力等條件不變,而將粘性阻尼系數c增大時,系統振動幅值有著明顯改變,見圖4。隨著粘性阻尼系數c的增大,系統振動幅值逐漸降低。當粘性阻尼系數增大至原來的3倍時,系統振幅下降近55%,這說明阻尼力對于抑制系統振動有明顯效果。                 4·減振方案實施及效果    4.1利用有限元軟件對管道系統進行模態分析    為了提出管道振動的解決方案,需要運用有限元分析軟件對管道進行模態分析及支撐結構的模擬選型計算,確定阻尼器的規格及其安裝位置。采用有限元Ansys軟件建立管道模型,見圖5,對管道振動的模態進行模擬分析。圖6是第一階振型圖,與現場振動情況最為接近。從圖6可以看出,管道上A、B、C三處由于振動原因分別運動至A'、B'、C'處,三處均屬于振動較大位置。因此計劃在A、B、C三處各安裝一個阻尼器,控制管道各向振動。                              4.2阻尼器支撐結構的選型設計    根據現場實際情況,通過選型設計和Ansys模擬計算,設計了兩種安裝結構:支撐橫梁一端懸臂結構和支撐橫梁兩端固定結構。就兩種結構的穩定性及結構應力做以下分析比較。    4.2.1支撐橫梁一端懸臂結構    將支撐橫梁一端與原有鋼結構焊接,另一端懸臂,并焊接斜支撐梁對主支撐橫梁進行加固,其結構見圖7。                 工程實踐表明,斜支撐梁對鋼結構的穩定性起著十分重要的作用[5],但斜支撐梁與主橫梁間的水平夾角應如何確定,并無標準化參考。就該問題做以下分析比較:在主支撐橫梁兩側分別焊接一個斜拉梁,兩斜拉梁與主橫梁位于同一水平面內,水平方向夾角為ψ。分析斜拉梁對支撐結構穩定性的影響,見圖8。    不同水平夾角計算的數據統計見表1。比較發現,在相同支撐結構、相同載荷條件下,斜拉梁對結構的穩定性有極大的改善作用。但斜拉梁與主支撐橫梁之間水平方向的夾角并非越大越好,以該結構為例,斜拉梁與主支撐橫梁之間的夾角為30°時,效果最佳。    4.2.2支撐橫梁兩端固定結構    支撐橫梁一端懸臂結構是工程實踐中較為常見的支撐結構,但是由于其自身懸臂的缺點,往往無法達到最佳的使用效果。經模擬計算分析發現,如果將支撐橫梁一端懸臂結構的懸臂端與原有鋼結構搭接相連,支撐結構的穩定性能夠明顯改善。支撐橫梁兩端固定結構見圖9。    計算得到的數據見表2。比較數據發現,在相同載荷條件下,支撐橫梁一端懸臂結構與支撐橫梁兩端固定結構在穩定性及結構應力方面有較大差異,后者的最大總位移較前者減小近49%,最大應力減小78%,見圖10。因此,支撐結構應盡量避免懸臂形式,將支撐結構懸臂端固定,結構的穩定性有大幅度提升。    4.3工程實際效果    經分析后確定,現場施工采取支撐橫梁兩端固定結構,并在主橫梁兩側每間隔1 m焊接一個加強筋板。安裝阻尼器后,管道振幅有大幅度的降低,最大位移由改造前的20 mm減小到1 mm以下,振動減小90%以上,管道的振動得到有效的控制,得到了用戶的好評(現場安裝圖見圖11)。                    5·結語    (1)管道阻尼減振技術可有效地降低換熱器管道系統的振幅,消除了管道振動產生的安全隱患。    (2)將支撐橫梁一端懸臂結構的懸臂端搭接固定,能夠使支撐結構的穩定性大幅提高。    (3)阻尼器能夠在不停機、未改變原有管道結構布置、未改變原有流量等參數的情況下安裝。參考文獻:[1]劉曉紅.螺旋隔板換熱器的研究現狀及應用[J].機電工程技術,2008,37(7):52-54.[2]姜陽,何立東,伍偉.丙烷塔空冷器集合管管道阻尼減振技術研究[J].石油化工設備技術,2011,32(2):19-24.[3]金志浩,金文,王文江,等.振動分析在管殼式換熱器設計中的應用[J].沈陽化工學院學報,2001,15(1):57-60.[4]張衛義.內壓圓柱形壓力容器大開孔率開孔補強結構及其應力集中系數規律的研究[D].北京:北京化工大學,2000:76-77.[5]鐘芳,王文龍.斜支撐對于機構穩定性的作用[J].中國高新技術企業,2010,139(4):134-136.
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