基于ANSYS的供热管道系统振动分析及改造

摘 要

摘要：采用ANSYS软件，针对某工程供热管道系统发生的振动进行了模态分析，分析了管道系统振动的原因，提出合理的改造方案。关键词：供热管道；振动；固有频率；激发频率Vibration Analysis
摘要：采用ANSYS软件，针对某工程供热管道系统发生的振动进行了模态分析，分析了管道系统振动的原因，提出合理的改造方案。
关键词：供热管道；振动；固有频率；激发频率
Vibration Analysis and Reconstruction of Heating Pipeline System Based on ANSYS
YU Yaze，LI Xiaogong
Abstract：The simulation analysis for vibration of heating pipeline system in an engineering is performed by ANSYS software.The reasons for vibration of heating pipeline system are analyzed，and the reasonable reconstruction scheme is put forward.
Key words：heating pipeline；vibration；natural frequency；excitation frequency
    在热网的管道系统设计中，热水压力和流速对管径的影响和管道的布置是设计的重点，但在设计过程中由于对管道系统的动态特性考虑不足，易导致供热管道系统在实际运行中产生振动，而某些剧烈振动会使管道薄弱部位，例如弯头、变径管、阀门和管道与支架在连接处产生摩擦，继而导致管道的松动和损坏，发生管道断裂和泄漏，引起严重的事故。管道系统产生振动是由于流体受到水泵叶轮的周期性推动，在管道内形成激振引起的，即管道系统固有频率与激发频率接近。本文结合工程实例，采用ANSYS软件中的模态分析，对产生振动的管道进行建模和模态分析，得出不同阶段下的管道系统固有频率，将其与激发频率进行比较，以管道固有频率避开激发频率为目的，进行管道系统刚度的提升，有效降低管道的振动。
1 工程概况
    该工程为一级管网的加压泵站，加压水泵设置在70℃回水管道上，主管道管径为DN 1200mm，加压水泵型号为KQSN600-M9-712，2用1备，并联运行，水泵出口管径为DN 500mm，变径为DN 600mm后与主管道连接。分别在水泵出口处设置固定支架，对于主管道在泵房结构柱位置设置滑动支架，主管道中间部位设置1个固定支架。在实际运行中，当1台水泵转速达到50%时，水泵出口的管道会产生上下振动的现象，达到最大流量后振动现象消失。再开启另1台水泵转速达到50%时，管道又会产生上下振动的现象。
   DN 1200mm的管道壁厚为14mm，DN 600mm的管道壁厚为9mm，DN 500mm的管道壁厚为8mm。运行压力为1.5MPa，运行温度为70℃，环境温度为10℃，管材物理性能参数见表1[1]。
表1 管材物理性能参数[1]
密度/(kg·m-3)
弹性模量/MPa
线胀系数/K-1
泊松比
7800
19.6×104
1.3×10-5
0.3
2 管道系统模态分析
2.1 有限元模型建立
    采用ANSYS软件对设置了支架的管道系统进行模态分析，计算其固有频率，然后核查外部激发频率与固有频率是否接近。采用pipe model建立管道系统模型，其中直管采用pipe16单元模拟，弯头采用pipe18单元模拟，T型管采用pipe17单元模拟，并设置了阀门单元、变径单元、法兰单元。根据水泵的运行工况，在不同支管和主管输入温度与压力参数。根据管道系统的原始约束位置，建立有限元模型(见图1)。
 

激发频率f的计算式为：
 
式中f——激发频率，Hz
    m——叶轮数量，个，水泵叶轮为6个
    n——水泵转速，min-1，水泵的转速为990min-1
   由式(1)计算得到，当一台水泵转速达到50%时，激发频率为49.5Hz；当水泵转速达到100%时，激发频率为99Hz。当开启一台水泵转速达到100%，再开启另一台转速达到50%时，激发频率要考虑3个值：两台水泵的频率(即49.5、99.0Hz)、二者差频的50%(即24.75Hz)，尽量使管道系统的固有频率避开这3个激发频率。
2.2 模态分析
   模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、模态振型，这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。ANSYS软件提供了7种模态分析方法，本文选用子空间(Subspace)法，该方法能够在处理管道系统中几个固有频率非常接近时，防止收敛速度过慢，而且计算结果的精度和可靠性较高[2]。
    模态提取数为16阶，前16阶管道系统固有频率见表2。由表2可知，管道系统在第1、7阶的固有频率分别与激发频率24.75、49.5Hz接近。第7阶的振动位移对应的振型见图2。振型图反映的结果与实际情况相符。
表2 前16阶管道系统固有频率
阶数
固有频率/Hz
阶数
固有频率/Hz
1
26.76
9
54.81
2
27.41
10
56.03
3
31.29
11
62.20
4
40.54
12
62.42
5
45.78
13
63.68
6
47.33
14
66.32
7
49.73
15
74.37
8
54.44
16
76.81
 

2.3 管道系统振动的影响因素和减振措施
    该工程中产生管道系统振动的因素有：水泵旋转运动造成流动的介质产生脉动，脉动压力迫使管道振动；不同时开启的水泵加大了管道系统内的压力不均；热水介质流过管道上的变径管、弯头、阀门和三通处会造成波动，波动引起管道系统振动；管道内温度和压力造成的管道应力会使管道系统固有频率降低；管道系统固有频率与激发频率接近，引起管道系统振动[3]。
    现有管道减振措施有减小共振长度、减少变径管和弯头数量、设置孔板、修正支架位置提高管道系统刚度。在该工程中，采用重新修正支架的位置提高管道系统刚度的方法来避免振动。利用ANSYS软件分析支架设置方式、支架数量和不同位置对管道系统固有频率的影响，给出合理的减振措施。
改造方案为水泵出口处加固定支架；每个有三通的主管道位置加设固定支架；主管道的弯头处加设固定支架，这样能将固有频率提高，优化后的管道系统支架位置见图3，前16阶管道系统固有频率见表3。由表3可知，管道系统各阶固有频率均有提高，避开了激发频率24.75、49.5Hz。
 

表3 优化后前16阶管道系统固有频率定支架
阶数
固有频率/Hz
阶数
固有频率/Hz
1
28.05
9
73.34
2
32.16
10
80.35
3
32.96
11
94.31
4
58.06
12
94.31
5
62.80
13
108.73
6
63.89
14
109.74
7
68.95
15
117.48
8
71.O9
16
117.48
    但管道系统的第12阶固有频率接近99Hz，查看振型图发现与主管三通连接的直管水平振动位移过大。因此，在修正后支架位置不变的情况下，计算以下3种方案的管道系统固有频率：①方案1：将水泵与主管连接管道弯头曲率半径由1.5倍管径提高到2.5倍；②方案2：将变径管DN 600mm扩大为DN 700mm；③方案3：将变径管DN 600mm扩大为DN 900mm。3种方案的前16阶管道系统的固有频率见表4。由表4可知，方案3能很好地避免固有频率接近99Hz。采取以上措施后，管道系统未再发生振动现象。
表4 3种方案的前16阶管道系统固有频率
方案1
方案2
方案3
阶数
固有频率/Hz
阶数
固有频率/Hz
阶数
固有频率/Hz
1
33.55
1
34.99
1
39.93
2
33.55
2
35.14
2
39.93
3
33.55
3
35.16
3
39.93
4
63.83
4
64.81
4
66.13
5
63.83
5
65.07
5
66.13
6
63.83
6
65.10
6
66.13
7
68.58
7
71.80
7
69.18
8
68.58
8
72.13
8
77.15
9
68.58
9
72.17
9
77.15
10
69.18
10
80.35
10
77.15
11
80.35
11
94.31
11
80.35
12
82.32
12
94.31
12
82.32
13
96.69
13
106.11
13
108.76
14
96.69
14
106.53
14
108.76
15
96.69
15
106.58
15
108.76
16
117.48
16
117.48
16
117.48
3 结论
    ① 该工程管道系统的振动主要原因来自内部介质流动造成的激振，当管道系统的固有频率与激发频率接近，会产生振动，特别是两台水泵不同时开启的工况。提高管道系统自身刚度是避免振动的有效途径。
    ② 当主管道管径过大时，减小三通位置主管与支管的管径差能提高管道系统的稳定性。
    ③ 在泵房设计中，有必要对复杂管道系统进行振动计算，可以避免在运行中发生管道系统振动。
参考文献：
[1] 《动力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006：277-279.
[2] 王富耻，张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2006：124-144.
[3] 王乐勤，何秋良.管线系统振动分析与工程应用[J].流体机械，2002，30(10)：28-31.
 
(本文作者：于雅泽 李晓恭 中国市政工程华北设计研究总院 天津 300074)