一种管道振动筛查和监测点选择的方法与流程

1.本发明涉及一种筛查和监测点选择的方法，特别涉及一种用于电站管道振动分析和监测的管道振动筛查和监测点选择的方法。


背景技术：

2.管道振动产生的交变应力会造成疲劳损伤，降低管道的使用寿命甚至引起管道断裂失效，危及核电厂运行安全。随着新建及在役核电站的管道振动及噪音问题时有发生，核电站管道的减振降噪设计日益受到关注。
3.目前，核电站管道在设计分析中并未考虑振动问题，处理振动问题主要是在核电站建成后，通过役前和在役的振动测量及监测，发现异常振动后再进行专项治理，相关分析、改造需要耗费大量的时间和经费。因此，开发一种管道振动筛查和监测点选择方法，在设计阶段对管道的振动可能性和疲劳严重程度进行分析评价，对于优化设计，减少振动问题发生，以及提高振动测量和监测的针对性都具有重要的意义。
4.目前，最主要的核电管道振动控制准则是asme om(asme operation and maintenance of nuclear power power，以下简称om规范)，om规范仅从防止振动疲劳的角度给出了速度限值，用于电站建成后役前和在在役的振动检查，并未给出设计阶段降低共振可能性的方法，也未给出准确的振动速度测量点。
5.美国西屋(westinghouse)公司针对ap1000堆型一回路管道制定了筛选准则，考虑了各类潜在振动激励源的频率与管道固有频率等的耦合情况，从而筛选出共振可能性较高的管段。但其在分析中仅考虑了一阶频率与振源的耦合，其结果存在局限性。如果考虑潜在振源频率一定范围内的各阶管道频率，筛选出的可能振动的管道数量将大幅增加，无法指导设计优化，同时这种方法无法体现不同振动引起的疲劳严重程度。
6.英国能源学会(energy institute,london，以下简称ei)编写了避免工艺管道振动疲劳失效的导则，ei导则基于各类振动的特性和管道布置参数，给出管道系统的振动失效的可能性，但该方法没有实际建模计算，难以预估共振可能性，也无法准确的考虑管道振动疲劳的严重程度。
7.因此，特别需要一种管道振动筛查和监测点选择的方法，以解决上述现有存在的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种管道振动筛查和监测点选择的方法，针对现有技术的不足，具有理论成熟、无需重新建模分析、分析效率高和易于实践的特点，可广泛应用各类电站工艺管道系统的设计优化。
9.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
10.一种管道振动筛查和监测点选择的方法，包括如下步骤：
11.s1、以管道设计分析中的模态分析结果，包括各阶模态的频率、各节点模态位移和
模态力作为输入，计算管道各个节点模态的速度和模态的应力；
12.节点k的模态速度的公式：
13.其中，χ
n，k
表示k节点第n阶模态的阵型，ω
n
表示第n阶模态的圆频率；
14.节点k的模态应力的公式：
15.其中，m
kx
、m
ky
分别表示k节点两个方向的弯矩，w是管道的截面模量，c2、k2为asme bpvc疲劳计算中的二次应力和局部应力系数；
16.s2、以最大应力节点作为疲劳失效关注点，以最大速度节点作为振动监测点，通过计算管道最大模态应力和最大模态速度的比值ds，ds值表示相同振动速度下，交变弯矩应力的大小，用于反映了各阶模态共振引起疲劳的严重程度；
17.s3、收集和计算潜在振源频率，包括泵频、叶轮频率、漩涡脱落频率、声频率等，泵频根据泵的运行转速确定，叶轮压力脉动频率等于主泵频率乘以叶轮的叶片数量；
18.滞流管三通的漩涡脱落频率计算公式：
19.其中，d表示支管内径，r为三通内倒角半径，u表示主管流速，s
t
为斯特罗哈尔数(strouhal number)；
20.滞流管三通的声频率的计算公式：
21.其中，l表示支管长度，d表示支管内径，c表示声速，n表示声模态阶数；
22.s4、比较各阶模态频率的耦合情况，用于反映各阶模态发生共振的可能性；
23.s5、用风险矩阵结合发生共振的可能性和共振引起疲劳的严重程度综合评估管道振动的风险；
24.s6、对于存在高风险模态的管道，需要进行设计优化，对于中风险模态的管道需要以最大速度节点作为役前振动测量点，以最大应力点作为振动疲劳评估点。
25.在本发明的一个实施例中，在步骤s4中，对于主泵转频、叶轮频率等定频，考虑10％的偏差，对于漩涡脱落等可能在一定范围发生锁定的频率，考虑20％的偏差。
26.本发明的管道振动筛查和监测点选择的方法，与现有技术相比，可运用于核电站管道设计分析中的振动分析和优化，也可用于指导管道振动测量和监测位置，同样适用于其它各类电站或厂房的工艺管道振动分析和测量；可通过该方法优化管道设计，有减少振动问题发生，并提高振动测量和监测的针对性，实现本发明的目的。
27.本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
附图说明
28.图1为本发明的管道振动筛查和监测点选择的方法的流程示意图；
29.图2为本发明的管道模型的结构示意图。
具体实施方式
30.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
31.实施例
32.如图1所示，本发明的管道振动筛查和监测点选择的方法，包括如下步骤：
33.s1、以管道设计分析中的模态分析结果，包括各阶模态的频率、各节点模态位移和模态力作为输入，计算管道各个节点模态的速度和模态的应力；
34.节点k的模态速度的公式：
35.其中，χ
n，k
表示k节点第n阶模态的阵型，ω
n
表示第n阶模态的圆频率；
36.节点k的模态应力的公式：
37.其中，m
kx
、m
ky
分别表示k节点两个方向的弯矩，w是管道的截面模量，c2、k2为asme bpvc疲劳计算中的二次应力和局部应力系数；
38.s2、以最大应力节点作为疲劳失效关注点，以最大速度节点作为振动监测点，通过计算管道最大模态应力和最大模态速度的比值ds，ds值表示相同振动速度下，交变弯矩应力的大小，用于反映了各阶模态共振引起疲劳的严重程度；
39.s3、收集和计算潜在振源频率，包括泵频、叶轮频率、漩涡脱落频率、声频率等，泵频根据泵的运行转速确定，叶轮压力脉动频率等于主泵频率乘以叶轮的叶片数量；
40.滞流管三通的漩涡脱落频率计算公式：
41.其中，d表示支管内径，r为三通内倒角半径，u表示主管流速，s
t
为斯特罗哈尔数(strouhal number)；
42.滞流管三通的声频率的计算公式：
43.其中，l表示支管长度，d表示支管内径，c表示声速，n表示声模态阶数；
44.s4、比较各阶模态频率的耦合情况，用于反映各阶模态发生共振的可能性；对于主泵转频、叶轮频率等定频，考虑10％的偏差，对于漩涡脱落等可能在一定范围发生锁定的频率，考虑20％的偏差；
45.s5、用风险矩阵结合发生共振的可能性和共振引起疲劳的严重程度综合评估管道振动的风险；
46.s6、对于存在高风险模态的管道，需要进行设计优化，对于中风险模态的管道需要以最大速度节点作为役前振动测量点，以最大应力点作为振动疲劳评估点。
47.图2为某电站管道计算模型图，可通过ansys、abaqus、pipestress等各类有限元软件进行模态分析，并输出各阶模态频率、模态阵型和模态载荷。本实施例通过pipestress进行模态分析，通过计算管道最大模态应力、最大模态速度，以及其比值ds，结果汇总如表1所示。
48.表1
[0049][0050][0051]
收集和计算潜在振源频率，包括泵频、叶轮频率等，并通过计算漩涡脱落频率、声频率等，比较各阶模态频率与的耦合情况，结果汇总如表2所示。
[0052]
表2
[0053][0054]
用风险矩阵结合发生共振的可能性和共振引起疲劳的严重程度综合评估管道振动的风险。如表3所示。其中第11阶模态(23.217hz)的共振风险等级为高，需要进行设计优化，避开共振频率并降低其ds水平。第1
‑
6阶和第10阶模态的共振风险等级为中，需要根据表1中的最大速度点确定役前振动测量点，并根据最大应力节点确定振动疲劳评估点。
[0055]
表3
[0056][0057][0058]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。