冉文燊  孫明  李恒

中國特種設備檢測研究院

摘要：管道振動對站場管道的長周期、安全穩定運行帶來了一定隱患。當前國內站場管道檢測尚無針對性的檢測標準。根據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。

關鍵詞：振動管道；檢測方法；工程應用。

隨著站場管道數量的急劇增加，因站場管道設計、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、設備主體、精密儀器、臨近建筑物帶來危害，甚至引發人員傷亡或財產損失^[1]。如何確保振動管道的安全運行，保證能源供應的安全，成為當前檢驗檢測中亟待解決的問題。針對站場架空管道檢測，國內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《在用工業管道定期檢驗規程》（試行）的相關要求進行^[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安全。本文在分析振動產生的原因和機理的基礎上，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設備動力平衡性能差及基礎設計不當引起振動。②管道內流體流速過快，因而湍流邊界層分離而產生渦流，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，管道內的壓力在平均值的上下脈動(或稱波動)，即產生所謂的壓力脈動，管流處于脈動狀態。脈動狀態的流體遇到彎管頭、異徑管、控制閥、盲板等管道元件，產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備產生振動。

站場架空管道的振動機理：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、調研振動管道及與管道相連設備的設計、安裝及運行相關資料（特別是錨固位置分布）。

（2）參照《在用工業管道定期檢驗規程》（試行）相關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）采用專業流場分析軟件（Fluent、ANSYS-CFX等）對振動管道管內流體進行流場分析，主要計算管內流體的流場分布、流速分布，重點關注介質對管道的沖擊力及管體表面介質流速、剪切力較大的部位。

（4）結合宏觀檢查及流場分析結果，參照《在用工業管道定期檢驗規程》（試行）的相關要求，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，為力學分析提供數據支持。

（5）在前期流程分析及現場檢測基礎上，對振動管道應用專業力學分析軟件進行管系結構及應力分析，并建立實體模型對管道局部力學狀態進行分析，確定應力集中部位，同時對管系結構進行模態分析，已獲取振型圖及固有振動頻率，為減振提供技術支撐。

（6）根據應力分析計算的結果，結合管道現場實際情況，選擇管件及適當的部位，采用X射線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。

但在進行應力檢測時，因注意應力測點布置原則：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，結合流場分析及應力理論分析結果，提出振動減緩措施建議，同時綜合管道現場檢測評價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

某站場振動管道材質為L360N，管道規格Ф273×6.3 mm。投運時間2014年11月，介質為純凈天然氣，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℃。通過前期資料調查和現場調研，該管道運行時存在較大振動并伴有管內介質嘯叫。初步懷疑振動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宏觀檢查及單線圖測繪

宏觀檢查發現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，管內流速在X方向為旋轉流動，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，發現最大局部減薄0.40 mm，位于流速較大處。滲透檢測發現1號處表面有裂紋，缺陷長10 mm。

3.5管系結構力學分析及模態分析

采用有限元分析軟件ANSYS，對振動管道進行力學及模態分析^[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	第一個支架與第一個彎頭中間位置	應力最大	270 MPa
2	放空管道DN60與第三個支架的中間位置	位移最大、應力較大	0.011m/83.4MPa

 

通過ANSYS模態分析計算，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

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，振動原因為管道內天然氣介質沖擊第一個彎頭和第四個彎頭所致，與流程模擬分析及現場實際相符。

3.6應力檢測

3.6.1應力檢測

參照流場、模態、應力分析結果，選取位移最大點和應力最大點，采用X射線衍射應力分析儀^[6,7]對其進行應力檢測，現場檢測及測點分布如圖5所示。

  

圖5  現場應力檢測及測點分布

3.6.2 應力檢測分析 

計算得到各點的Mises等效應力。

（1）位移最大點

由表 2可知，位移最大點環向應力-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1處環向應力-220.7 MPa，最大Mises應力同樣出現在測點1處為220.3 MPa，實測值小于L360N規定的最小許用應力。

表 2  位移最大點檢測結果

 

（2）應力最大點

由表 3可知，測點2處環向應力-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2處環向應力-194.7 MPa，最大Mises應力同樣出現在測點2處為187.0 MPa，實測值小于L360N規定的最小許用應力。

表 3  應力最大點檢測結果

。

 

參照《金屬工業管道設計規范》相關要求，管道的實測最大應力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，也同時增大了氣流脈動的阻尼系數，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在四個彎頭處和現場振動較劇烈的地方分別增設管卡和支架，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防腐層；打磨消除表面裂紋。

5 結束語

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。

 

參考文獻：

[1] 趙力電.壓力管道振動分析[J].中國設備工程.2007，（01）：36-37. 

[2] 國家質量監督檢驗檢疫總局. 在用工業管道定期檢驗規程(試行). 2003-06-01.

[3] 周云，劉季.管道振動及其減振技術[J].哈爾濱工程建筑學院學報.1994,（10）：108-114. 

[4] 譚平. 輸氣管道振動分析[J]. 天然氣工業. 2005,（25）：133-140.

[5] 劉峻伸，吳明，李少鵬，等.干線石油管道振動的ANSYS分析[J]. 管道技術與設備.2011，（02）：16-18. 

[6] 李大林，陳魯，張其林. X射線衍射法在既有鋼結構應力檢測中的應用[J].施工技術.2010，（09）：22-28.

[7] 孟慶元. X射線法殘余應力測試原理研究[J].商品與質量.2011,（2）：215.

 

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）