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流激振动(FIV)分析

设计分析和现场故障排除

FIV Analysis - Piping dead leg branch causing vortex shedding

流激振动,或涡旋脱落由高流速引发,比如在离心式压缩机系统中的盲管段。该研究可以评估在盲管段分支中,存在的涡旋脱落和潜在振动。该研究还可以包含小口径管道和部件的FIV激励,比如温度计保护管的振动。

我们推荐为新建离心式压缩机,以及其他高流量气体系统进行FIV研究。

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1 背景

“流激振动、以及控制其的物理参数,对于设计工程师和操作员都极其重要。这些物理现象会引发管道工程系统重大故障、带来环境和现场超标噪音。这些问题都促使我们去努力了解并减少这些现象带来的问题。”来自:前言,FIV,2012年大会,爱尔兰。

图1:涡旋脱落的示例。来自:acusim.com

干扰流(或涡旋脱落),在流体流经以下区域时产生:

  • 流体系统中放入温度计保护管或其他物体(图1),或者
  • 某盲管段分支,比如循环管线或释放管线(图2)

在某个特定频率,气体流动将激发声共振,产生高频脉动。这些脉动会激发机械共振,产生高频振动,受影响的管道会损耗损坏。

流体产生了涡旋和激励效应。该激励频率,可由以下公式求出:

涡旋脱落频率​ (VSF) = S (v/d)

其中:
S = 斯特鲁哈尔数
   
v = 流速    
d = 支管直径

图2:“盲管段分支”示例

该现象类似于向一个开口空瓶中吹气,会发出声音。

对于高频气体系统,比如图2中的盲管段,当支管中的涡旋脱落频率(VSF)和声学固有频率(ANF)重合时,将产生高压脉动。这种相互作用将引发小口径管道的振动,可能造成损坏。值得注意的是,最糟糕的振动情况不一定出现在最高的流速。

2 常见问题

FIV一般用于评估离心式压缩机的管道系统。高流量的螺杆压缩机中也存在一些风险。请参见本页的三个关于FIV问题的示例:管道振动示例

在采油立管(海上作业情况)、换热器管,以及许多其他工业应用中,FIV也是一个常见问题。下表展示了北塔在某排气塔解决的一个FIV问题。

3 FIV设计分析

北塔为管道系统,包括离心式压缩机系统提供以下FIV设计服务:

  • 评估根据管道位置,判断发生涡旋脱落、脉动和振动问题的可能性。北塔为盲管段分支,进行基于几何学、流态和声学模式的FIV评估。用于该研究的方法,引用自美国能量研究所的 “在工艺管道工程中,避免振动诱发损耗损坏的标准”
  • 可选FIV服务:对温度计保护管和探头组,避免涡旋脱落频率和组件的结构固有频率(MNF)重叠。
  • 高级FIV评估:针对复杂盲管段分支,可进行更细节化的FIV研究。在某些案例中,还可以进行管道系统的受迫响应分析。

为可能出现的损耗损坏风险,提供建议。对于离心式压缩机管道系统,有时FIV研究和声激振动研究(AIV研究)都是必须的。

4 FIV现场故障排除服务

北塔具有经验丰富的现场团队,致力于为现有设备进行FIV问题的故障排除。FIV故障排除应用包括:

  • 离心式压缩机的小口径管道损坏,包括温度计保护管和仪器
  • 管道的管壁模式振动问题
  • 换热器管的FIV
  • 采油立管的FIV

对于现场故障排除,进行现场的脉动、振动以及应力测量,以及结构固有频率和脉动固有频率判定都是必须的。很多案例中,有限元分析模型中会使用现场测量数据,来判定管道应力。

如果您正在进行高压系统的设计或运行,欢迎联系北塔,来获取FIV相关或其他振动问题的应用支持。 

5 相关信息
6 相关服务
7 关键词
  • 涡旋脱落
  • 涡旋诱发的振动
  • 流激脉动
  • 流激励
  • 美国能量研究所标准(2008)
  • 离心式压缩机振动

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