站場架空振動管道檢測方法研究及應(yīng)用
來源：《管道保護》雜志 作者：冉文燊 孫明 李恒 時間：2018-8-14 閱讀：
冉文燊 孫明 李恒
中國特種設(shè)備檢測研究院
摘要：管道振動對站場管道的長周期、安全穩(wěn)定運行帶來了一定隱患。當前國內(nèi)站場管道檢測尚無針對性的檢測標準。根據(jù)站場架空振動管道特點，分析了振動原因和振動機理，提出了一種針對站場架空振動管道的檢測方法。經(jīng)工程實踐表明，能夠有效檢測站場架空振動管道，為類似工程的開展提供一定的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：振動管道；檢測方法；工程應(yīng)用。
隨著站場管道數(shù)量的急劇增加，因站場管道設(shè)計、安裝、操作參數(shù)改變、改造、維修等諸多因素，導致站場架空管道在運行中存在振動，而管道長期振動會對管理人員、設(shè)備主體、精密儀器、臨近建筑物帶來危害，甚至引發(fā)人員傷亡或財產(chǎn)損失[1]。如何確保振動管道的安全運行，保證能源供應(yīng)的安全，成為當前檢驗檢測中亟待解決的問題。針對站場架空管道檢測，國內(nèi)尚無針對性的站場管道檢測標準，目前的檢驗檢測主要參考《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》（試行）的相關(guān)要求進行[2]，但振動管道相對于非振動管道存在共振、緊固件松動、疲勞失效、泄漏失效等顯著區(qū)別，采用這種檢測方法的針對性、有效性和適用性不強，難以確保振動管道的本質(zhì)安全。本文在分析振動產(chǎn)生的原因和機理的基礎(chǔ)上，提出了一種針對站場架空振動管道的檢測方法。
1 站場架空管道振動原因和機理
站場架空管道的振動原因有以下幾方面[3]：①設(shè)備動力平衡性能差及基礎(chǔ)設(shè)計不當引起振動。②管道內(nèi)流體流速過快，因而湍流邊界層分離而產(chǎn)生渦流，引起振動。③管流脈動引起的振動。管道輸液(氣)需通過壓縮機或泵加壓作為動力，這種加壓方式是間隙性的，由于間隙加壓，管道內(nèi)的壓力在平均值的上下脈動(或稱波動)，即產(chǎn)生所謂的壓力脈動，管流處于脈動狀態(tài)。脈動狀態(tài)的流體遇到彎管頭、異徑管、控制閥、盲板等管道元件，產(chǎn)生一定的隨時間而變化的激振力，在這種激振力作用下管道和附屬設(shè)備產(chǎn)生振動。
站場架空管道的振動機理：主要是由管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和（或）管內(nèi)流體系統(tǒng)引起的[4]。
2站場架空振動管道檢測方法
基于站場架空管道振動原因和機理分析，提出了如下檢測方法（圖1）。
圖 1 檢測方法流程
（1）收集、調(diào)研振動管道及與管道相連設(shè)備的設(shè)計、安裝及運行相關(guān)資料（特別是錨固位置分布）。
（2）參照《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》（試行）相關(guān)要求對振動管道進行宏觀檢查，并對管道進行單線圖測繪。
（3）采用專業(yè)流場分析軟件（Fluent、ANSYS-CFX等）對振動管道管內(nèi)流體進行流場分析，主要計算管內(nèi)流體的流場分布、流速分布，重點關(guān)注介質(zhì)對管道的沖擊力及管體表面介質(zhì)流速、剪切力較大的部位。
（4）結(jié)合宏觀檢查及流場分析結(jié)果，參照《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》（試行）的相關(guān)要求，對振動管道有針對性的進行管道壁厚檢測、管體及焊縫缺陷檢測及其他檢測，為力學分析提供數(shù)據(jù)支持。
（5）在前期流程分析及現(xiàn)場檢測基礎(chǔ)上，對振動管道應(yīng)用專業(yè)力學分析軟件進行管系結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分析，并建立實體模型對管道局部力學狀態(tài)進行分析，確定應(yīng)力集中部位，同時對管系結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，已獲取振型圖及固有振動頻率，為減振提供技術(shù)支撐。
（6）根據(jù)應(yīng)力分析計算的結(jié)果，結(jié)合管道現(xiàn)場實際情況，選擇管件及適當?shù)牟课?/font>，采用X射線衍射應(yīng)力儀直接測取管道應(yīng)力分布情況，并與軟件計算結(jié)果對比分析和評估。
但在進行應(yīng)力檢測時，因注意應(yīng)力測點布置原則：管道總應(yīng)力由管道運行中的工作應(yīng)力、管道自重和安裝等外界因素引起的彎曲應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力幾部分組成。因此測試應(yīng)重點選擇在上述因素均具備的地方。
（7）依據(jù)管道的受力情況，結(jié)合流場分析及應(yīng)力理論分析結(jié)果，提出振動減緩措施建議，同時綜合管道現(xiàn)場檢測評價結(jié)果及管道受力情況，最終確定管道的安全狀況，提出運行維護建議及措施。
3工程應(yīng)用
3.1資料調(diào)查收集
某站場振動管道材質(zhì)為L360N，管道規(guī)格Ф273×6.3 mm。投運時間2014年11月，介質(zhì)為純凈天然氣，壓力表為3.0 MPa，出站壓力為2.6 MPa，設(shè)計溫度-50～70℃，運行溫度5～20℃。通過前期資料調(diào)查和現(xiàn)場調(diào)研，該管道運行時存在較大振動并伴有管內(nèi)介質(zhì)嘯叫。初步懷疑振動是因管道改造設(shè)計不盡合理、流道變化較劇烈、上下游壓降較大等因素造成的。
3.2宏觀檢查及單線圖測繪
宏觀檢查發(fā)現(xiàn)管道防銹漆局部破損，破損處銹蝕，支吊架銹蝕，閥門銹蝕，法蘭及緊固件銹蝕，管道標識不清。測繪的振動管道單線圖見圖2。
圖 2 振動管道單線圖
3.3流場分析
采用流場分析軟件ANSYS-CFX，對振動管道進行流場分析，流場分布如圖3。
圖3 流場分布
從圖3可以看出，管內(nèi)流速在X方向為旋轉(zhuǎn)流動，流速最大的位置出現(xiàn)在2號標識處為26.92 m/s， 1號標識處流速為24.89 m/s。因1號與2號的流速較大且方向相反，引發(fā)管道水平方向的振動。
3.4管體及焊縫缺陷檢測
對流速較大的3個彎頭進行超聲波測厚，發(fā)現(xiàn)最大局部減薄0.40 mm，位于流速較大處。滲透檢測發(fā)現(xiàn)1號處表面有裂紋，缺陷長10 mm。
3.5管系結(jié)構(gòu)力學分析及模態(tài)分析
采用有限元分析軟件ANSYS，對振動管道進行力學及模態(tài)分析[5]。振動管道模型如圖4。
圖4 振動管道有限元模型
通過ANSYS應(yīng)力分析計算，得到管道的應(yīng)力和位移結(jié)果（表 1）。
表 1 應(yīng)力和位移結(jié)果
|
序號 |
具體位置 |
原因 |
模擬計算值 |
|
1 |
第一個支架與第一個彎頭中間位置 |
應(yīng)力最大 |
270 MPa |
|
2 |
放空管道DN60與第三個支架的中間位置 |
位移最大、應(yīng)力較大 |
0.011m/83.4MPa |
通過ANSYS模態(tài)分析計算，振動管道的1階和2階固有振動頻率以及振型見表 2。
表 2 1階和2階固有振動頻率以及振型
|
階數(shù) |
固有振動頻率 |
振型描述 |
|
1 |
1.6322 |
沿X軸水平擺動 |
|
2 |
3.4596 |
沿Y軸上下振動 |
由表 2可知，振動管道的主要振動形式為沿X軸的水平振動，振動原因為管道內(nèi)天然氣介質(zhì)沖擊第一個彎頭和第四個彎頭所致，與流程模擬分析及現(xiàn)場實際相符。
3.6應(yīng)力檢測
3.6.1應(yīng)力檢測
參照流場、模態(tài)、應(yīng)力分析結(jié)果，選取位移最大點和應(yīng)力最大點，采用X射線衍射應(yīng)力分析儀[6,7]對其進行應(yīng)力檢測，現(xiàn)場檢測及測點分布如圖5所示。
圖5 現(xiàn)場應(yīng)力檢測及測點分布
3.6.2 應(yīng)力檢測分析
計算得到各點的Mises等效應(yīng)力。
（1）位移最大點
由表 2可知，位移最大點環(huán)向應(yīng)力-220.7～-184.0 MPa，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，變化較小。軸向應(yīng)力-219.8～-135.2MPa，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。Mises等效應(yīng)力165.1～220.3 MPa。最大應(yīng)力值為測點1處環(huán)向應(yīng)力-220.7 MPa，最大Mises應(yīng)力同樣出現(xiàn)在測點1處為220.3 MPa，實測值小于L360N規(guī)定的最小許用應(yīng)力
。
表 2 位移最大點檢測結(jié)果
|
測點 |
所處位置 |
沿軸向距離/mm |
σX/MPa |
σY/MPa |
Mise應(yīng)力σ/MPa |
最小許用應(yīng)力/MPa |
|
1 |
直管段 |
0 |
-220.7 |
-219.8 |
220.3 |
225 |
|
2 |
46 |
-217.4 |
-180.0 |
201.3 |
||
|
3 |
88 |
-184.0 |
-135.2 |
165.1 |
||
|
4 |
145 |
-191.8 |
-154.5 |
176.1 |
||
|
5 |
196 |
-210.7 |
-154.5 |
189.0 |
（2）應(yīng)力最大點
由表 3可知，測點2處環(huán)向應(yīng)力-194.7～-97.4MPa，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。軸向應(yīng)力-178.3～-53.2MPa，均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。Mises等效應(yīng)力93.9～187.0 MPa。最大應(yīng)力值為測點2處環(huán)向應(yīng)力-194.7 MPa，最大Mises應(yīng)力同樣出現(xiàn)在測點2處為187.0 MPa，實測值小于L360N規(guī)定的最小許用應(yīng)力
。
表 3 應(yīng)力最大點檢測結(jié)果
|
測點 |
所處位置 |
沿軸向距離/mm |
σX/MPa |
σY/MPa |
Mise應(yīng)力σ/MPa |
最小許用應(yīng)力/MPa |
|
1 |
直管段 |
0 |
-104.2 |
-93.0 |
99.1 |
225 |
|
2 |
144 |
-194.7 |
-178.3 |
187.0 |
||
|
3 |
271 |
-147.8 |
-154.1 |
151.0 |
||
|
4 |
394 |
-108.4 |
-53.2 |
93.9 |
||
|
5 |
491 |
-97.4 |
-160.3 |
139.9 |
。
參照《金屬工業(yè)管道設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求，管道的實測最大應(yīng)力220.3 MPa，小于L360N規(guī)定的最小許用應(yīng)力
。
4整改措施及建議
減振建議： ①調(diào)壓閥后設(shè)置緩沖器。利用其足夠大的容積，可以直接緩沖氣流沖擊，也同時增大了氣流脈動的阻尼系數(shù)，而且還可以改變管系與氣柱的固有頻率。②在現(xiàn)有支承架與管子的中間墊上防振橡膠墊。改變管道的固有頻率，使壓力脈動的頻率及其倍頻與管道的固有頻率不相吻合；同時還減少管道與支架之間的金屬摩擦，防止直接產(chǎn)生摩擦造成噪音和摩擦裂紋而使管路損壞。③在四個彎頭處和現(xiàn)場振動較劇烈的地方分別增設(shè)管卡和支架，對其進行固定，但不得強行固定在某一點。
對銹蝕處進行打磨并重新敷設(shè)防腐層；打磨消除表面裂紋。
5 結(jié)束語
針對站場架空振動管道的特點，提出的檢測方法充分考慮了管道振動的原因和機理，可有效解決站場振動管道的檢測問題，同時提高了缺陷檢出率。站場埋地振動管道的檢測方法，還需進一步開展研究。
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作者:冉文燊，1989年生，碩士，工程師，現(xiàn)在中國特種設(shè)備檢測研究院從事壓力管道檢驗檢測與研究工作。
《管道保護》2018年第3期（總第40期）
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