冉文燊  孫明  李恒

中國特種設備檢測研究院

摘要：管道振動(dòng)對站場(chǎng)管道的長(cháng)周期、安全穩定運行帶來(lái)了一定隱患。當前國內站場(chǎng)管道檢測尚無(wú)針對性的檢測標準。根據站場(chǎng)架空振動(dòng)管道特點(diǎn)，分析了振動(dòng)原因和振動(dòng)機理，提出了一種針對站場(chǎng)架空振動(dòng)管道的檢測方法。經(jīng)工程實(shí)踐表明，能夠有效檢測站場(chǎng)架空振動(dòng)管道，為類(lèi)似工程的開(kāi)展提供一定的參考依據。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)管道；檢測方法；工程應用。

隨著(zhù)站場(chǎng)管道數量的急劇增加，因站場(chǎng)管道設計、安裝、操作參數改變、改造、維修等諸多因素，導致站場(chǎng)架空管道在運行中存在振動(dòng)，而管道長(cháng)期振動(dòng)會(huì )對管理人員、設備主體、精密儀器、臨近建筑物帶來(lái)危害，甚至引發(fā)人員傷亡或財產(chǎn)損失^[1]。如何確保振動(dòng)管道的安全運行，保證能源供應的安全，成為當前檢驗檢測中亟待解決的問(wèn)題。針對站場(chǎng)架空管道檢測，國內尚無(wú)針對性的站場(chǎng)管道檢測標準，目前的檢驗檢測主要參考《在用工業(yè)管道定期檢驗規程》（試行）的相關(guān)要求進(jìn)行^[2]，但振動(dòng)管道相對于非振動(dòng)管道存在共振、緊固件松動(dòng)、疲勞失效、泄漏失效等顯著(zhù)區別，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(dòng)管道的本質(zhì)安全。本文在分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因和機理的基礎上，提出了一種針對站場(chǎng)架空振動(dòng)管道的檢測方法。

1 站場(chǎng)架空管道振動(dòng)原因和機理

站場(chǎng)架空管道的振動(dòng)原因有以下幾方面^[3]：①設備動(dòng)力平衡性能差及基礎設計不當引起振動(dòng)。②管道內流體流速過(guò)快，因而湍流邊界層分離而產(chǎn)生渦流，引起振動(dòng)。③管流脈動(dòng)引起的振動(dòng)。管道輸液(氣)需通過(guò)壓縮機或泵加壓作為動(dòng)力，這種加壓方式是間隙性的，由于間隙加壓，管道內的壓力在平均值的上下脈動(dòng)(或稱(chēng)波動(dòng))，即產(chǎn)生所謂的壓力脈動(dòng)，管流處于脈動(dòng)狀態(tài)。脈動(dòng)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(shí)間而變化的激振力，在這種激振力作用下管道和附屬設備產(chǎn)生振動(dòng)。

站場(chǎng)架空管道的振動(dòng)機理：主要是由管道結構系統和（或）管內流體系統引起的^[4]。

2站場(chǎng)架空振動(dòng)管道檢測方法

基于站場(chǎng)架空管道振動(dòng)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、調研振動(dòng)管道及與管道相連設備的設計、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)管道定期檢驗規程》（試行）相關(guān)要求對振動(dòng)管道進(jìn)行宏觀(guān)檢查，并對管道進(jìn)行單線(xiàn)圖測繪。

（3）采用專(zhuān)業(yè)流場(chǎng)分析軟件（Fluent、ANSYS-CFX等）對振動(dòng)管道管內流體進(jìn)行流場(chǎng)分析，主要計算管內流體的流場(chǎng)分布、流速分布，重點(diǎn)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）結合宏觀(guān)檢查及流場(chǎng)分析結果，參照《在用工業(yè)管道定期檢驗規程》（試行）的相關(guān)要求，對振動(dòng)管道有針對性的進(jìn)行管道壁厚檢測、管體及焊縫缺陷檢測及其他檢測，為力學(xué)分析提供數據支持。

（5）在前期流程分析及現場(chǎng)檢測基礎上，對振動(dòng)管道應用專(zhuān)業(yè)力學(xué)分析軟件進(jìn)行管系結構及應力分析，并建立實(shí)體模型對管道局部力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析，確定應力集中部位，同時(shí)對管系結構進(jìn)行模態(tài)分析，已獲取振型圖及固有振動(dòng)頻率，為減振提供技術(shù)支撐。

（6）根據應力分析計算的結果，結合管道現場(chǎng)實(shí)際情況，選擇管件及適當的部位，采用X射線(xiàn)衍射應力儀直接測取管道應力分布情況，并與軟件計算結果對比分析和評估。

但在進(jìn)行應力檢測時(shí)，因注意應力測點(diǎn)布置原則：管道總應力由管道運行中的工作應力、管道自重和安裝等外界因素引起的彎曲應力、焊接殘余應力幾部分組成。因此測試應重點(diǎn)選擇在上述因素均具備的地方。

（7）依據管道的受力情況，結合流場(chǎng)分析及應力理論分析結果，提出振動(dòng)減緩措施建議，同時(shí)綜合管道現場(chǎng)檢測評價(jià)結果及管道受力情況，最終確定管道的安全狀況，提出運行維護建議及措施。

3工程應用

3.1資料調查收集

某站場(chǎng)振動(dòng)管道材質(zhì)為L360N，管道規格Ф273×6.3 mm。投運時(shí)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，設計溫度-50～70℃，運行溫度5～20℃。通過(guò)前期資料調查和現場(chǎng)調研，該管道運行時(shí)存在較大振動(dòng)并伴有管內介質(zhì)嘯叫。初步懷疑振動(dòng)是因管道改造設計不盡合理、流道變化較劇烈、上下游壓降較大等因素造成的。

3.2宏觀(guān)檢查及單線(xiàn)圖測繪

宏觀(guān)檢查發(fā)現管道防銹漆局部破損，破損處銹蝕，支吊架銹蝕，閥門(mén)銹蝕，法蘭及緊固件銹蝕，管道標識不清。測繪的振動(dòng)管道單線(xiàn)圖見(jiàn)圖2。

 

圖 2  振動(dòng)管道單線(xiàn)圖

3.3流場(chǎng)分析

采用流場(chǎng)分析軟件ANSYS-CFX，對振動(dòng)管道進(jìn)行流場(chǎng)分析，流場(chǎng)分布如圖3。

 

圖3  流場(chǎng)分布

從圖3可以看出，管內流速在X方向為旋轉流動(dòng)，流速最大的位置出現在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(dòng)。

3.4管體及焊縫缺陷檢測

對流速較大的3個(gè)彎頭進(jìn)行超聲波測厚，發(fā)現最大局部減薄0.40 mm，位于流速較大處。滲透檢測發(fā)現1號處表面有裂紋，缺陷長(cháng)10 mm。

3.5管系結構力學(xué)分析及模態(tài)分析

采用有限元分析軟件ANSYS，對振動(dòng)管道進(jìn)行力學(xué)及模態(tài)分析^[5]。振動(dòng)管道模型如圖4。

 

 圖4 振動(dòng)管道有限元模型

  通過(guò)ANSYS應力分析計算，得到管道的應力和位移結果（表 1）。

 

              表 1  應力和位移結果

序號	具體位置	原因	模擬計算值
1	第一個(gè)支架與第一個(gè)彎頭中間位置	應力最大	270 MPa
2	放空管道DN60與第三個(gè)支架的中間位置	位移最大、應力較大	0.011m/83.4MPa

 

通過(guò)ANSYS模態(tài)分析計算，振動(dòng)管道的1階和2階固有振動(dòng)頻率以及振型見(jiàn)表 2。

表 2  1階和2階固有振動(dòng)頻率以及振型

由表 2可知，振動(dòng)管道的主要振動(dòng)形式為沿X軸的水平振動(dòng)，振動(dòng)原因為管道內天然氣介質(zhì)沖擊第一個(gè)彎頭和第四個(gè)彎頭所致，與流程模擬分析及現場(chǎng)實(shí)際相符。

3.6應力檢測

3.6.1應力檢測

參照流場(chǎng)、模態(tài)、應力分析結果，選取位移最大點(diǎn)和應力最大點(diǎn)，采用X射線(xiàn)衍射應力分析儀^[6,7]對其進(jìn)行應力檢測，現場(chǎng)檢測及測點(diǎn)分布如圖5所示。

  

圖5  現場(chǎng)應力檢測及測點(diǎn)分布

3.6.2 應力檢測分析 

計算得到各點(diǎn)的Mises等效應力。

（1）位移最大點(diǎn)

由表 2可知，位移最大點(diǎn)環(huán)向應力-220.7～-184.0 MPa，均表現為壓應力，變化較小。軸向應力-219.8～-135.2MPa，均表現為壓應力。Mises等效應力165.1～220.3 MPa。最大應力值為測點(diǎn)1處環(huán)向應力-220.7 MPa，最大Mises應力同樣出現在測點(diǎn)1處為220.3 MPa，實(shí)測值小于L360N規定的最小許用應力。

表 2  位移最大點(diǎn)檢測結果

 

（2）應力最大點(diǎn)

由表 3可知，測點(diǎn)2處環(huán)向應力-194.7～-97.4MPa，均表現為壓應力。軸向應力-178.3～-53.2MPa，均表現為壓應力。Mises等效應力93.9～187.0 MPa。最大應力值為測點(diǎn)2處環(huán)向應力-194.7 MPa，最大Mises應力同樣出現在測點(diǎn)2處為187.0 MPa，實(shí)測值小于L360N規定的最小許用應力。

表 3  應力最大點(diǎn)檢測結果

。

 

參照《金屬工業(yè)管道設計規范》相關(guān)要求，管道的實(shí)測最大應力220.3 MPa，小于L360N規定的最小許用應力。 

4整改措施及建議

減振建議： ①調壓閥后設置緩沖器。利用其足夠大的容積，可以直接緩沖氣流沖擊，也同時(shí)增大了氣流脈動(dòng)的阻尼系數，而且還可以改變管系與氣柱的固有頻率。②在現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(dòng)的頻率及其倍頻與管道的固有頻率不相吻合；同時(shí)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(gè)彎頭處和現場(chǎng)振動(dòng)較劇烈的地方分別增設管卡和支架，對其進(jìn)行固定，但不得強行固定在某一點(diǎn)。

對銹蝕處進(jìn)行打磨并重新敷設防腐層；打磨消除表面裂紋。

5 結束語(yǔ)

針對站場(chǎng)架空振動(dòng)管道的特點(diǎn)，提出的檢測方法充分考慮了管道振動(dòng)的原因和機理，可有效解決站場(chǎng)振動(dòng)管道的檢測問(wèn)題，同時(shí)提高了缺陷檢出率。站場(chǎng)埋地振動(dòng)管道的檢測方法，還需進(jìn)一步開(kāi)展研究。

 

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作者:冉文燊，1989年生，碩士，工程師，現在中國特種設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）