Материал: Исследование и расчет виброопор трубопроводов

Исследование и расчет виброопор трубопроводов

Содержание

Введение

. Теоретические основы виброзащиты

1.1 Общие сведения о вибрации. Параметры, характеризующие вибрационное состояние трубопроводов

.2 Причины вибрации трубопроводов

1.3 Классификация методов защиты от вибрации

2. Типы устройств защиты трубопроводов от вибрации

2.1 Виды виброопор

.2 Конструкция и расчет высоковязкого демпфера

Заключение

Список литературы

Введение

Обеспечение вибрационной надежности трубопроводных систем является одной из важнейших задач практически в каждого производстве. Для реализации этой задачи в различных странах используются, там, где это необходимо, средства виброзащиты с эластичными элементами при фиксации трубопроводов на трассах. Как правило, местами, где требуется успокоение колебаний трубопроводов, являются их участки, территории самих станций, участки, находящиеся над землей. В этих случаях трубопроводы могут быть закреплены с помощью специальных хомутов с упругодемпфирующими прокладками из спрессованного сетчатого материала.

Опыт эксплуатации технологических трубопроводов показывает, что их колебания могут достигать значительных величин (пиковые значения виброскорости достигают сотен мм/с). Это обстоятельство зачастую может прямо влиять на надежную работу технологических объектов и, более того, быть причиной серьезных аварий и нарушений. Основными видами отказов трубопроводных систем, к которым может привести их увеличенная вибрация, являются: появление трещин в основном металле и сварных швах, разрушение трубопровода, обрыв подвесок и усталостное разрушение опор, обрыв присоединенных импульсных трубок, ослабление болтовых соединений, ложное срабатывание арматуры, отказ концевых выключателей. Однако, несмотря на важность проблемы и серьезность возможных последствий, на вибрацию трубопроводов обычно обращают внимание только после случившихся аварийных ситуаций или при величинах вибрации, вызывающих опасения обслуживающего персонала за безопасность работы вблизи вибрирующего трубопровода. Для объектов, расположенных в зонах с высокой сейсмической активностью, помимо проблемы вибрации возникает необходимость обеспечения сейсмостойкости технологических трубопроводов.

Цель курсовой работы является исследование вибрационных процессов, заключающихся в выявлении основных причин возникновения вибраций, поиск решения направленный на повышение эффективности и безопасности работы трубопроводов. Указанная цель достигается при проектировании, изготовлении и эксплуатации трубопроводов путем разработки и внедрения методов и средств его виброзащиты. Для этого необходимо решить следующие задачи:

рассмотреть теоретический аспект виброгашения на трубопроводах;

выявить факторы, влияющие на вибрационную активность трубопроводов, и степени влияния этих факторов на параметры вибрации;

выявление возможности и областей применения различных методов и средств виброзащиты трубопроводов;

расчет виброизолятора для устранения проблемы.

Вибрация является интегральным показателем качества и технического состояния трубопроводов. Виброзащита, под которой понимается комплекс мероприятий при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации трубопроводов, направленных на уменьшение его вибрации, является одной из актуальных проблем. Решение этой проблемы повысит эффективность работы трубопроводов.

Работа выполнена на 40 страницах, содержит: введение, основную часть, заключение, список литературы.

1. Теоретические основы виброзащиты

.1 Общие сведения о вибрации. Параметры, характеризующие
вибрационное состояние трубопроводов

трубопровод виброопора демпфер

Вибрация - это механические колебания, характеризующиеся много- кратно повторяющимся отклонением физических тел от положения равновесия. Ввиду того, что понятия вибрации и колебательного процесса (колебаний) близки между собой, воспользуемся для дальнейшего изложения обоими терминами. Трубопроводы, сооружения или их составные части являются колебательными системами. Одним из важнейших признаков колебательной системы является число степеней свободы, т.е. количество независимых числовых параметров, однозначно определяющих положение всех точек системы в пространстве в любой фиксированный момент времени t. Различают системы с конечным и бесконечным числами степеней свободы. Системы с конечным числом степеней свободы, состоящие из сосредоточенных масс, называются дискретными.

Вибрация может характеризоваться как абсолютными, так и относительными параметрами.

Абсолютными параметрами вибрации являются вибросмещение, виброскорость и виброускорение.

Основной относительный параметр вибрации - уровень виброскорости (дБ), который определяется:

где V - амплитуда виброскорости, м/с;= 5*10-8 м/с - пороговое значение виброскорости.

Виброгашение связано с увеличением реактивной части импеданса колебательной системы. Применительно к проблеме защиты окружающей среды виброгашение преимущественно реализуется за счет увеличения эффективной жесткости трубопроводов путем крепления их в единую замкнутую систему. Это приводит к снижению виброактивности колебательной системы, а следовательно, к ослаблению воздействия на окружающую среду.

Вибрационное состояние трубопроводов характеризуется следующими параметрами:

размах (для гармонического процесса - двойная амплитуда), частота (спектр),фаза виброперемещений оболочки. Эти параметры характеризуют форму колебаний трубопровода;

величина (размах) пульсаций давления в трубопроводе;

скорость пробега ударной волны (м/с), определяемая приближенно по формуле 1:

где D - диаметр трубопровода, мм;

δ - толщина оболочки, мм;

А - коэффициент, равный 1,0 для трубопровода без колец жесткости, 0,3 - 0,4 для трубопровода с кольцами жесткости.

Более точно скорость пробега ударной волны определяется экспериментально при осциллографировании процессов гидравлического удара в трубопроводе. При этом собственные частоты колебаний давления в трубопроводе определяются по формуле (1);

собственные частоты поперечных колебаний (балочных форм) [Гц], определяются конкретно для каждого трубопровода при испытаниях или с использованием формулы 2:

где m - коэффициент для многопролетного свободнолежащего на опорах трубопровода с одним компенсатором на конце, равный 1,62; 3,49; 6,38 и 9,70 соответственно для 1 - 4-й форм колебаний (рисунок 1);

- длина пролета между промежуточными опорами, см;

Е - модуль упругости, кг/см2;- момент инерции, см, ;- наружный, d - внутренний диаметры трубопровода;- гравитационная постоянная, см/с2;

а)

б)

Рисунок 1. Балочные формы колебаний трубопровода:
а - первая форма; б - вторая форма

здесь qст - собственная масса оболочки трубопровода, приходящаяся на сантиметр погонной длины, кг/см;

qв - собственная масса йоды, заключенной в трубопроводе, приходящаяся на сантиметр погонной длины, кг/см:

в = 1,0*10-3 кг/см3; qст = 7,85*10-3 кг/см3

Измерения собственных частот балочных форм колебаний производится при возбуждении колебаний трубопровода в поперечном направлении с помощью нагрузочно-разгрузочного устройства (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема устройства для возбуждения собственных колебаний: 1 - оболочка; 2 - толкатель; 3 - болт

При установке устройства в разных местах по длине пролета между опорами возбуждаются колебания разных балочных форм. Собственные частоты колебаний трубопровода могут также определяться при осциллографировании вибрации при сбросе нагрузки гидроагрегата. Возникающий при этом гидроудар вызывает затухающие колебания трубопровода с собственной частотой, собственные частоты колебаний оболочки, соответствующие радиальной деформации круглого сечения.

Собственные частоты таких колебаний (Гц) могут быть найдены по приближенной формуле 3:

где D и δ - диаметр и толщина оболочки, см;= 2, 3, 4, ... - число форм колебаний (рисунок 3).

а)  б)

Рисунок 3. Оболочечные формы колебаний

а - первая форма (овализация), i = 2; б - вторая форма, i = 3

.2 Причины вибрации трубопроводов

Основная причина колебаний трубопроводов и самих машин нефтегазовых сооружений является аэродинамические и акустические силы действующих пульсаций давления и температуры газа. В связи с этим борьба с вибрациями нагнетательных машин и присоединенных трубопроводов осуществляется способами, не отличающимися от обычно применяемых в других машинах и сооружениях, а именно устройство упругих упор, упругих прокладок, упругих подвесок, а также увеличение массы фундамента с целью изменения частоты собственных колебаний агрегата. Однако устройством сложных статических и динамических амортизаторов и массивных фундаментов можно только частично устранить вибрации трубопроводов и нагнетательных установок. Трубопроводы коренным образом отличаются от любых обычных конструкций, подверженных вибрации. Они имеют специфический источник вибраций в виде пульсирующего потока газа или жидкости в трубах. Кроме того, при устройстве эластичных опор вибрации трубопроводов могут даже увеличиться. Это связано со сложностью определения места расположения упругих опор и способом крепления трубопровода к опорам. Следует иметь в виду, что если применение того или другого способа крепления может значительно уменьшить или даже погасить колебания самих трубопроводов, то величина пульсации газа в трубах после этих мероприятий остается неизменной. Пульсирующий поток по-прежнему будет вызывать потерю мощности агрегатов вследствие высоких мгновенных давлений и температур, оказывать разрушительное действие на цилиндры компрессоров и измерительную аппаратуру, создавать погрешности в измерениях.

Вибрация напорных трубопроводов ГЭС вызывается в основном гидравлическими возмущающими силами, возникающими в проточном тракте гидротурбины: трубопроводе, спиральной камере, камере рабочего колеса и в отсасывающей трубе. Эти возмущения являются причиной пульсаций давления, распространяющихся в трубопроводе и вызывающих его вибрацию.

Если частоты возмущающих сил близки или кратны частоте собственных колебаний трубопровода (оболочки), то наблюдается механический резонанс. Если они близки или кратны частоте пробега волны давления (ударной волны), то наблюдается гидравлический резонанс, возникающий при равенстве:

где F - частота собственных колебаний, Гц;= 1, 2, 3... - номер гармоники;

С - скорость пробега ударной волны, м/с;- длина напорного трубопровода, м.

Собственные частоты колебаний давления в трубопроводе зависят также от величины открытия направляющего аппарата турбины, определяющего граничные условия. При малых открытиях направляющего аппарата трубопровод можно приближенно рассматривать как закрытый с одного конца. Собственная частота колебаний давления при этом определяется по формуле , при больших открытиях направляющего аппарата трубопровод ближе к системе с двумя открытыми концами и собственную частоту колебаний давления следует определять по формуле 5:

Повышенная вибрация трубопровода может вызываться следующими возмущающими силами:

гидравлическими ударами и большой пульсацией хаотической частоты из-за попадания в трубопровод воздуха при сильных колебаниях уровня воды в напорном бассейне, связанных с большими расходами или при работе на пониженном напоре;

пульсацией давления создаваемой при сходе вихревого следа с диска дроссельного затвора;

пульсацией давления в спиральной камере, возникающей при обтекании потоком элементов гидротурбинной установки (зуба спиральной камеры, колонн статора, лопаток направляющего аппарата, лопастей рабочего колеса и др.).

Частота этих пульсаций (Гц), вызываемых вихрями Кармана, приближенно определяется по формуле

где V - скорость потока, м/с;- характерный размер обтекаемого тела (толщина профиля, толщина выходной кромки и др.), м;

неустойчивостью регулирования расхода воды направляющим аппаратом (из-за неисправности регулятора скорости) или периодическими колебаниями отдельных лопаток направляющего аппарата (из-за наличия люфтов):

пульсацией давления, возникающей при неудачном выборе сочетания числа лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса. Частота соответствующих вибраций (Гц) совпадает с лопастной частотой:

где n - частота вращения ротора гидротурбины, об/мин;- число лопастей рабочего колеса;

неравномерностью потока в зоне рабочего колеса из-за таких дефектов, как неравномерный шаг лопастей, значительное биение вала, неконцентричность уплотнений или их износ на радиально-осевых турбинах. При этом частота вибрации трубопровода совпадает с частотой вращения ротора гидротурбины или кратна ей;

пульсациями давления в отсасывающей трубе гидротурбины.

Наиболее интенсивные пульсации наблюдаются при частичных нагрузках турбины из-за возникновения "жгута" - спирального вихря. При других режимах возможно образование нескольких вихрей и смещение спектра пульсаций давления в сторону более высоких частот. Для отсасывающих труб нормального заглубления частота пульсаций давления (Гц) под рабочим колесом составляет:

где n - частота вращения ротора гидротурбины, об/мин;- коэффициент, равный 3,0 - 3,6 для радиально-осевых турбин и 4,2 - 4,6 для поворотно-лопастных турбин.

Частота колебаний трубопровода в этом случае совпадает или кратна частоте пульсации давления.

Повышенная вибрация трубопровода может также вызываться дефектами опорной системы, возникающими в процессе эксплуатации (подвижка опор, нарушения в работе промежуточных опор) и приводящими к изменению собственных частот колебаний трубопровода и возникновению нерасчетных нагрузок.

Причинами возникновения гидроударов, пульсаций давления и повышенных уровней вибраций являются: