冉文燊  孙明  李恒

中国特种设备检测研究院

摘要：管道振动对站场管道的长周期、安全稳定运行带来了一定隐患。当前国内站场管道检测尚无针对性的检测标准。根据站场架空振动管道特点，分析了振动原因和振动机理，提出了一种针对站场架空振动管道的检测方法。经工程实践表明，能够有效检测站场架空振动管道，为类似工程的开展提供一定的参考依据。

关键词：振动管道；检测方法；工程应用。

随着站场管道数量的急剧增加，因站场管道设计、安装、操作参数改变、改造、维修等诸多因素，导致站场架空管道在运行中存在振动，而管道长期振动会对管理人员、设备主体、精密仪器、临近建筑物带来危害，甚至引发人员伤亡或财产损失^[1]。如何确保振动管道的安全运行，保证能源供应的安全，成为当前检验检测中亟待解决的问题。针对站场架空管道检测，国内尚无针对性的站场管道检测标准，目前的检验检测主要参考《在用工业管道定期检验规程》（试行）的相关要求进行^[2]，但振动管道相对于非振动管道存在共振、紧固件松动、疲劳失效、泄漏失效等显著区别，采用这种检测方法的针对性、有效性和适用性不强，难以确保振动管道的本质安全。本文在分析振动产生的原因和机理的基础上，提出了一种针对站场架空振动管道的检测方法。

1 站场架空管道振动原因和机理

站场架空管道的振动原因有以下几方面^[3]：①设备动力平衡性能差及基础设计不当引起振动。②管道内流体流速过快，因而湍流边界层分离而产生涡流，引起振动。③管流脉动引起的振动。管道输液(气)需通过压缩机或泵加压作为动力，这种加压方式是间隙性的，由于间隙加压，管道内的压力在平均值的上下脉动(或称波动)，即产生所谓的压力脉动，管流处于脉动状态。脉动状态的流体遇到弯管头、异径管、控制阀、盲板等管道元件，产生一定的随时间而变化的激振力，在这种激振力作用下管道和附属设备产生振动。

站场架空管道的振动机理：主要是由管道结构系统和（或）管内流体系统引起的^[4]。

2站场架空振动管道检测方法

基于站场架空管道振动原因和机理分析，提出了如下检测方法（图1）。

 

 

 

 

 

                  图 1  检测方法流程

 （1）收集、调研振动管道及与管道相连设备的设计、安装及运行相关资料（特别是锚固位置分布）。

（2）参照《在用工业管道定期检验规程》（试行）相关要求对振动管道进行宏观检查，并对管道进行单线图测绘。

（3）采用专业流场分析软件（Fluent、ANSYS-CFX等）对振动管道管内流体进行流场分析，主要计算管内流体的流场分布、流速分布，重点关注介质对管道的冲击力及管体表面介质流速、剪切力较大的部位。

（4）结合宏观检查及流场分析结果，参照《在用工业管道定期检验规程》（试行）的相关要求，对振动管道有针对性的进行管道壁厚检测、管体及焊缝缺陷检测及其他检测，为力学分析提供数据支持。

（5）在前期流程分析及现场检测基础上，对振动管道应用专业力学分析软件进行管系结构及应力分析，并建立实体模型对管道局部力学状态进行分析，确定应力集中部位，同时对管系结构进行模态分析，已获取振型图及固有振动频率，为减振提供技术支撑。

（6）根据应力分析计算的结果，结合管道现场实际情况，选择管件及适当的部位，采用X射线衍射应力仪直接测取管道应力分布情况，并与软件计算结果对比分析和评估。

但在进行应力检测时，因注意应力测点布置原则：管道总应力由管道运行中的工作应力、管道自重和安装等外界因素引起的弯曲应力、焊接残余应力几部分组成。因此测试应重点选择在上述因素均具备的地方。

（7）依据管道的受力情况，结合流场分析及应力理论分析结果，提出振动减缓措施建议，同时综合管道现场检测评价结果及管道受力情况，最终确定管道的安全状况，提出运行维护建议及措施。

3工程应用

3.1资料调查收集

某站场振动管道材质为L360N，管道规格Ф273×6.3 mm。投运时间2014年11月，介质为纯净天然气，压力表为3.0 MPa，出站压力为2.6 MPa，设计温度-50～70℃，运行温度5～20℃。通过前期资料调查和现场调研，该管道运行时存在较大振动并伴有管内介质啸叫。初步怀疑振动是因管道改造设计不尽合理、流道变化较剧烈、上下游压降较大等因素造成的。

3.2宏观检查及单线图测绘

宏观检查发现管道防锈漆局部破损，破损处锈蚀，支吊架锈蚀，阀门锈蚀，法兰及紧固件锈蚀，管道标识不清。测绘的振动管道单线图见图2。

 

图 2  振动管道单线图

3.3流场分析

采用流场分析软件ANSYS-CFX，对振动管道进行流场分析，流场分布如图3。

 

图3  流场分布

从图3可以看出，管内流速在X方向为旋转流动，流速最大的位置出现在2号标识处为26.92 m/s， 1号标识处流速为24.89 m/s。因1号与2号的流速较大且方向相反，引发管道水平方向的振动。

3.4管体及焊缝缺陷检测

对流速较大的3个弯头进行超声波测厚，发现最大局部减薄0.40 mm，位于流速较大处。渗透检测发现1号处表面有裂纹，缺陷长10 mm。

3.5管系结构力学分析及模态分析

采用有限元分析软件ANSYS，对振动管道进行力学及模态分析^[5]。振动管道模型如图4。

 

 图4 振动管道有限元模型

  通过ANSYS应力分析计算，得到管道的应力和位移结果（表 1）。

 

              表 1  应力和位移结果

序号	具体位置	原因	模拟计算值
1	第一个支架与第一个弯头中间位置	应力最大	270 MPa
2	放空管道DN60与第三个支架的中间位置	位移最大、应力较大	0.011m/83.4MPa

 

通过ANSYS模态分析计算，振动管道的1阶和2阶固有振动频率以及振型见表 2。

表 2  1阶和2阶固有振动频率以及振型

由表 2可知，振动管道的主要振动形式为沿X轴的水平振动，振动原因为管道内天然气介质冲击第一个弯头和第四个弯头所致，与流程模拟分析及现场实际相符。

3.6应力检测

3.6.1应力检测

参照流场、模态、应力分析结果，选取位移最大点和应力最大点，采用X射线衍射应力分析仪^[6,7]对其进行应力检测，现场检测及测点分布如图5所示。

  

图5  现场应力检测及测点分布

3.6.2 应力检测分析 

计算得到各点的Mises等效应力。

（1）位移最大点

由表 2可知，位移最大点环向应力-220.7～-184.0 MPa，均表现为压应力，变化较小。轴向应力-219.8～-135.2MPa，均表现为压应力。Mises等效应力165.1～220.3 MPa。最大应力值为测点1处环向应力-220.7 MPa，最大Mises应力同样出现在测点1处为220.3 MPa，实测值小于L360N规定的最小许用应力。

表 2  位移最大点检测结果

 

（2）应力最大点

由表 3可知，测点2处环向应力-194.7～-97.4MPa，均表现为压应力。轴向应力-178.3～-53.2MPa，均表现为压应力。Mises等效应力93.9～187.0 MPa。最大应力值为测点2处环向应力-194.7 MPa，最大Mises应力同样出现在测点2处为187.0 MPa，实测值小于L360N规定的最小许用应力。

表 3  应力最大点检测结果

。

 

参照《金属工业管道设计规范》相关要求，管道的实测最大应力220.3 MPa，小于L360N规定的最小许用应力。 

4整改措施及建议

减振建议： ①调压阀后设置缓冲器。利用其足够大的容积，可以直接缓冲气流冲击，也同时增大了气流脉动的阻尼系数，而且还可以改变管系与气柱的固有频率。②在现有支承架与管子的中间垫上防振橡胶垫。改变管道的固有频率，使压力脉动的频率及其倍频与管道的固有频率不相吻合；同时还减少管道与支架之间的金属摩擦，防止直接产生摩擦造成噪音和摩擦裂纹而使管路损坏。③在四个弯头处和现场振动较剧烈的地方分别增设管卡和支架，对其进行固定，但不得强行固定在某一点。

对锈蚀处进行打磨并重新敷设防腐层；打磨消除表面裂纹。

5 结束语

针对站场架空振动管道的特点，提出的检测方法充分考虑了管道振动的原因和机理，可有效解决站场振动管道的检测问题，同时提高了缺陷检出率。站场埋地振动管道的检测方法，还需进一步开展研究。

 

参考文献：

[1] 赵力电.压力管道振动分析[J].中国设备工程.2007，（01）：36-37. 

[2] 国家质量监督检验检疫总局. 在用工业管道定期检验规程(试行). 2003-06-01.

[3] 周云，刘季.管道振动及其减振技术[J].哈尔滨工程建筑学院学报.1994,（10）：108-114. 

[4] 谭平. 输气管道振动分析[J]. 天然气工业. 2005,（25）：133-140.

[5] 刘峻伸，吴明，李少鹏，等.干线石油管道振动的ANSYS分析[J]. 管道技术与设备.2011，（02）：16-18. 

[6] 李大林，陈鲁，张其林. X射线衍射法在既有钢结构应力检测中的应用[J].施工技术.2010，（09）：22-28.

[7] 孟庆元. X射线法残余应力测试原理研究[J].商品与质量.2011,（2）：215.

 

作者:冉文燊，1989年生，硕士，工程师，现在中国特种设备检测研究院从事压力管道检验检测与研究工作。

《管道保护》2018年第3期（总第40期）