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[其他相关] 有限元数值仿真在解决管道振动中的运用

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发表于 2020-5-18 10:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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我们在《案例分享 | 管道振动现场诊断与改进方案》一文中提到,解决现场管道振动问题,分三步走:

  · 管线振动检查;

  · 管道故障诊断和根因分析 (RCA);

  · 方案验证评估。

其中第二步,在完成工作变形测试 (ODS)、试验模态测试 (EMA),识别出故障类型和振动根因后,在现场即可提出改进建议与措施,并进行验证。

然而,由于管道振动问题的多样性和复杂性,有时改进方案的效果难以在现场100%确认,因此,后期需借助有限元 (FE) 数值仿真的方法,建立管线的有限元模型,用测试数据校准有限元模型,完善诊断并更准确地确定可能的解决方案。

项目背景

  · 由于管线整体的运动导致的振动,需要一个以上支架抑制管线振动。

  · 部分管线的位移相当严重,并且所处的位置空间狭窄,难以增加新的支架。

  · 管线和主结构非常近,有必要设计长支架,它们的隔振效率未知。

针对以上问题,我们借助有限元数值仿真的方法,对管道支架进行优化设计,并从动力学角度验证有效性。此项工作可以分为三个阶段:有限元建模、模型标定、解决方案确定。

有限元建模

有限元模型 (FEM) 包含:

  · 高振级关键管线;

  · 管线周围的结构;

  · 结构上的管道支架。

基于Caesar文件进行管线建模。大多数的管线将使用梁单元进行建模,一些管线区域采用壳单元建模评估应力。管线应力分析报告中也必须体现现有管道支架的特点。

完成建模工作需要管道图纸和总装配图,必要时将在模型上增设辅助框架。

模型校准

有限元分析存在数值不确定性,并且设计和制造过程中也会有差异。因此,需通过校准提高有限元模型的精确性。模型校准的目的在于通过调节特定参数,在仿真模型中复现现场观察到的现象。校准分为以下两步:

  · 校准固有模态:管道振动是由于管内流体对结构模态的激励而引起的。因此,计算的模态振型和频率必须与测量所得的模态振型和频率相一致。通常采用调整边界条件的方法(比如调整支架和连接刚度);

  · 准激励:与振动最相关的部位(弯头、三通等)处施加激励,复现现场测量时的振级。
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管线和支架结构的有限元模型
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试验结果校准有限元模型

控制措施确定

管线的有限元模型建好并且校准完毕,可以帮助确定解决方案。

为识别出热点部位,首先计算管线的动态应力。振动引起的主要问题是疲劳失效,评估振动失效风险是十分重要的,并且也是现场测量中非常难以完成的任务(疲劳失效需要应变片,应变片的安装时间很长,而且只能提供局部的信息)。重点关注靠近焊缝的热点位置,因为它们是管路中最薄弱的部位。

如果所计算得到的管线动态应力和期望的管线寿命不匹配,则需要改善这条管线的支架结构。确定最优方案的策略有如下几种:

  · 仅考虑降低模态影响所需的刚度,测试新支撑点的有效性;

  · 设计具有预期刚度的支架。在此阶段,必须清楚看到管线可利用的空间:PDMS文件的模型(Naviswork格式)将有助于避免新增横梁和已有装置间的碰撞;
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  · 管路和支架之间连接的设计需要和管路系统的应力分析保持一致,支架要能控制管道振动,并容许管路热膨胀。

来源:管道振动技术微信公众号,作者:懿朵科技。

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