Приложение В (рекомендуемое). Расчетно-экспериментальные методы и средства защиты трубопровода от вибрации

Приложение В
(рекомендуемое)

Расчетно-экспериментальные методы и средства защиты трубопровода от вибрации

B.1 Технические решения по снижению пульсации потока, вибрации трубопровода и виброзащите окружающих объектов

Вибрацию снижают уменьшением или снятием возмущающих воздействий. При этом необходимо в первую очередь устранить резонансные колебания пульсирующего потока и отстроить от возможного совпадения резонансы потока и механической системы.

Применяют следующие способы отстройки системы от резонансных колебаний газа:

а) изменение длин и диаметров участков трубопроводной системы, если это допускается компоновкой системы;

б) установка диафрагм, которые рассеивают энергию колебаний газа и изменяют амплитудно-частотный спектр газа в трубопроводной системе. Ориентировочно диаметр расточки диафрагм составляет 0,5D. Оптимальный диаметр расточки диафрагмы d, обеспечивающий эффективное гашение пульсации, для однофазных потоков может быть определен по формуле

,

(В.1)

где - средняя скорость газа в трубопроводе, м/с;

С - скорость звука в газе, м/с.

Для двухфазных потоков этот диаметр

,

(В.2)

где - коэффициент гидравлического сопротивления диафрагмы;

в) установка буферных емкостей с целью уменьшения амплитуды пульсации давления за счет рассеивания энергии, затрачиваемой на возбуждение массы газа в объеме буферной емкости, и изменения спектра собственных частот колебаний. Для наиболее эффективного гашения колебаний буферную емкость устанавливают непосредственно у источника возбуждения колебаний (цилиндр компрессора). На несколько цилиндров одной ступени целесообразно устанавливать общую емкость;

г) установка акустических фильтров в тех случаях, когда возникает необходимость в значительном снижении колебаний, а требующиеся для этого габаритные размеры буферной емкости превышают допустимые по условиям компоновки. Акустический фильтр характеризуется четким дискретным спектром полос пропускания и гашения частот колебаний газа;

д) изменение температуры и давления нагнетания компрессора, если это возможно по технологии работы. От этих параметров зависят величины плотности продукта и скорости звука, влияющие на частотный спектр системы;

е) интерференционный способ гашения пульсаций, который эффективен в очень узкой полосе частот колебаний. Этот способ предусматривает применение специальных ответвлений или петель, длину которых подбирают равной нечетному числу полуволн;

ж) сочетание в одной трубопроводной системе различных способов гашения пульсаций. Так, возможна установка диафрагм на входе в емкость или на выходе из емкости. При этом размеры емкости могут быть уменьшены примерно на 30% по сравнению с емкостью без диафрагмы. Дополнительные потери давления при установке диафрагмы меньше, чем дополнительные потери при резонансных колебаниях.

Последовательность проведения отстройки от резонансных колебаний, а также снижения колебаний давления газа представляет собой итерационный процесс внесения изменений в конструкцию трубопроводной системы с последующей проверкой эффективности изменений расчетом по специальным программам.

B.2 Снижение вибрации и виброзащита окружающих объектов

В.2.1 В трубопроводных обвязках поршневых машин максимальная энергия приходится на низшие гармоники. Расчеты допустимо проводить по нескольким первым (до 3 - 5) собственным частотам каждого пролета и осуществлять отстройку по этим значениям.

Для устранения механических резонансов проводят корректировку трубопроводной системы.

Спектр собственных частот любой механической системы зависит от ее объемно-конструктивных решений, условий закрепления и инерционно-жесткостных параметров. Для трубопроводных систем такими параметрами являются:

- число участков, расположенных между опорами, их конфигурация;

- наличие сосредоточенных масс и их величина;

- условия опирания;

- упругие опоры и их характеристики жесткости;

- инерционно-жесткостные параметры участков.

Сосредоточенные массы увеличивают инерционные характеристики и снижают значения собственных частот. Практически понижение значения собственной частоты способом включения дополнительной массы может быть эффективным при величине массы, соизмеримой с массой участка.

В реальных системах сосредоточенные массы конечных размеров увеличивают жесткость системы. В большинстве случаев в реальных трубопроводных системах сосредоточенные массы имеют самостоятельные опоры и могут рассматриваться как разделители системы на независимые, с жесткими заделками в точках присоединения масс.

Ужесточение системы включением дополнительной массы - фактор конструктивного увеличения собственной частоты. Влияние масс в каждом конкретном случае может быть получено только расчетом всей системы в целом.

B.2.2 Собственные частоты трубопровода зависят от условий закрепления его концевых и промежуточных участков. При применении скользящих односторонних опор необходимо предварительно провести расчет на статическую прочность и убедиться в том, что соответствующие односторонние связи замкнутые. При отключении односторонней опоры (в случае разомкнутой связи) в исходных данных для расчета собственных частот принимают суммарную длину пролета между двумя соседними опорами, что может существенно снизить значение собственной (парциальной) частоты участка.

Целесообразность применения упругих опор определяют по результатам расчета. Упругие опоры, уменьшая эквивалентную жесткость всей системы, снижают нижнюю границу частотного диапазона участка и системы. Применение их эффективно при отстройке от резонанса в сторону уменьшения значений собственных частот.

B.2.3 Необходимость отстройки трубопроводной системы от резонансов определяют по каждому из потенциально возможных механизмов возбуждения вибрации согласно 9.4.

Для вывода системы за пределы резонанса достаточно изменить длину участка на 15% - 20%. Следует вначале проводить корректировку в сторону увеличения , т.е. сокращения длины пролета. При каждом вновь принятом значении длины пролета проверяют условия согласно 9.4 по всем возмущающим частотам. В случае вывода системы из зоны одного и входа в зону другого резонанса систему корректируют по новому резонансному режиму. При невозможности корректировки в сторону увеличения корректировку проводят уменьшением , т.е. удлинением участка, определяющего .

B.2.4 При ограничении возможностей варьирования длиной пролета отстройку системы от резонанса проводят выбором типа опор и подбором их жесткости. Изменение расположения сосредоточенных масс задается расчетчиком только при наличии в системе сосредоточенных масс. При их отсутствии специально вводить сосредоточенные дополнительные массы для изменения спектра частот следует только при невозможности применения других способов отстройки от резонанса.

B.2.5 При неэффективности способов, изложенных в В.2.1 - В.2.4, необходимо изменить геометрию системы, обеспечив свободу вариации , максимально спрямив трассу, по возможности избегая лишних поворотов. При этом способе необходимо проведение поверочных расчетов трубопровода на прочность и жесткость.

При неэффективности способов, изложенных в В.2.1 - В.2.5, изменение инерционно-жесткостных параметров трубопровода обеспечивают варьированием диаметра трубопровода.

При наличии специальных инерционно-жесткостных гасителей, антивибраторов, исходя из экономической и технической целесообразности их применения, просчитывают варианты частотных спектров системы с гасителями, и по формам колебаний дают оценку их эффективности.

Корректировку трубопроводной системы для устранения механического резонанса проводят для каждого механизма возбуждения колебаний не менее чем по пяти гармоникам и по числу собственных частот колебаний системы или по удвоенному значению числа участков системы.

В.3 Инструментальное обследование и мониторинг трубопроводных систем и нагнетательных машин при пуске и эксплуатации

В.3.1 Инструментальные обследования вибрации

В.3.1.1 Целями обследования являются:

- измерение уровней вибрации трубопроводов, сравнение их с допускаемыми (см. В.4.2);

- определение степени опасности вибрации;

- анализ спектров вибрации, диагностика частотных спектров вибровозмущений и их интенсивности;

- оценка уровней вибрации элементов нагнетательных машин (таблицы В.3 - В.9) как источников вибрации;

- измерение уровней пульсации давления, сравнение их с допускаемыми, определение необходимости их снижения;

- определение необходимости виброзащиты окружающих объектов;

- составление заключения о необходимости периодического или постоянного мониторинга вибрации трубопроводов и нагнетательных машин.

В.3.1.2 Измерения вибрации выполняют в следующем порядке:

Измерение в каждом намеченном сечении проводят по трем осям. Принимают следующие направления осей:

- Y - по оси вала машины;

- X - в горизонтальной плоскости;

- Z - нормально к плоскости XY.

Направление Y выдерживают по всей трассе для каждого участка.

Точки измерения:

- нагнетательная машина - торцы цилиндров, нагнетательные патрубки, фундаментные болты;

- опоры трубопровода;

- середина каждого пролета между опорами, при наличии в пролете между опорами отводов - на концах отвода.

Определяют частотный спектр вибрации. Измеряют размахи виброперемещений:

- общий (суммарный) уровень;

- для каждой частотной составляющей спектра.

Во время измерений фиксируют режим нагружения трубопровода:

- состав перекачиваемой среды;

- температура на каждом участке;

- давление;

- производительность;

- время и дата проведения измерений.

При меняющихся режимах эксплуатации требуются измерения на 3 - 4 режимах производительности. Результаты измерений протоколируются с указанием исполнителей.

В.3.2 Мониторинг системы

B.3.2.1 Вид мониторинга (периодический или постоянный) вибрации трубопроводных систем определяется проектной документацией или назначается по результатам инструментальных обследований.

При периодическом мониторинге выполняются все требования В.3.1. Периодичность измерений вибрации при опорных уровнях не выше 2 (согласно В.4.2 ) назначают не реже одного раза в месяц; при значениях вибрации, приближающихся к 3-му уровню - не реже одного раза в неделю. При стабилизации вибрации около 3-го уровня в течение 4 измерений (1 месяц) допустимо увеличить периодичность до одного месяца.

При возрастании уровня с 3-го до 4-го необходим ежедневный мониторинг, а при достижении средних значений размаха вибрации в полосе 3-го - 4-го уровней требуется срочная остановка и реконструкция системы.

B.3.2.2 При стационарном мониторинге предусматривается:

- на нагнетательных машинах - не менее одной точки фиксации (по X, Y, Z);

- на трубопроводных системах - не менее чем в трех точках по трассе.

Допускается фиксация уровней вибрации для каждой точки по одному или двум наиболее виброопасным направлениям.

По максимальным уровням вибрации из всех намеченных точек по трассе и координатам выбирают не менее двух для включения сигнализации достижения аварийного уровня.

В.4 Нормирование пульсации потока и вибрации трубопроводов

В.4.1 Пульсация потока продукта

Неравномерность потока ограничивают в зависимости от рабочего давления (таблица В.1).

Таблица В.1 - Ограничения неравномерности пульсации потока

, МПа	< 0,5	Св. 0,5 до 1,0	Св. 1,0 до 2,0	Св. 2,0 до 5,0	Св. 5,0
, %	4 - 8	От 4 до 6	От 3 до 5	От 2 до 4	От 2 до 3

Для всасывающих линий нефтяного газа допускается большее значение пульсации давления.

В.4.2 Вибрации трубопроводов

Их нормируют по амплитуде виброперемещений в зависимости от частоты вибрации.

Различают четыре опорных уровня вибрации:

1 - расчетный при проектировании;

2 - допускаемый при эксплуатации;

3 - требующий исправления, реконструкции системы;

4 - уровень появления аварийных ситуаций.

В таблице В.2 даны дискретные значения допускаемых значений вибрации трубопроводов для фиксированных частот.

Таблица В.2 - Допускаемые значения амплитуд вибрации трубопроводов , мкм

Уровень	Частота, Гц
	2	4	6	8	10	20	30	40	50	60
1	120	115	100	90	85	60	50	45	40	35
2	250	230	200	180	165	120	95	85	75	70
3	500	450	400	360	330	230	180	145	135	130
4	1250	1100	950	800	750	500	420	350	320	300

Соответственно в диапазонах уровня:

1 - 2 - удовлетворительное состояние трубопроводов;

2 - 3 - допускаемое значение, контроль;

3 - 4 - повышенный контроль, возможны отказы, необходимы исправление, реконструкция;

выше 4 - экстренное исправление.

Практически для большинства трубопроводных обвязок насосов и компрессоров главные амплитудные составляющие процессов вибрации определены с диапазоном частот до 60 Гц.

При мониторинге вибросостояния трубопроводов в условиях эксплуатации с целью оценки и выявления причин повышенных уровней вибрации необходимо иметь, кроме уровней пульсации давления, информацию об уровнях вибрации компрессоров, насосов, фундаментов и т.п.

Оценку вибрационного состояния насосов и компрессоров, за исключением поршневых машин с номинальной скоростью от 120 до 15000 , проводят по средним квадратичным значениям виброскорости, мм/с, и виброперемещений, мкм, в соответствии с [22]. В остальных случаях, не предусмотренных в указанных стандартах, для оценки вибрации используют приводимые далее (таблицы В.3 - В.10) допустимые амплитуды вибрации узлов и элементов нагнетательных машин.

Таблица В.3 - Насосы

Частота вращения вала, Гц	< 12,5	12,5 - 16,5	16,5 - 25	25 - 50	> 50
Допустимая амплитуда вибрации , мкм	120	100	80	60	50

Таблица В.4 - Фундаменты поршневых машин

Частота колебаний, Гц	< 3,5	3,5 - 8	8 - 25	25 - 50
Допустимая амплитуда вибрации , мкм	400	200	100	50

Таблица В.5 - Фундаменты электродвигателей

Частота колебаний, Гц	< 8	8 - 12,5	> 12,5
Допустимая амплитуда вибрации , мкм	200	150	100

Таблица В.6 - Фундаменты турбоагрегатов

Частота колебаний, Гц	< 25	25 - 50	> 50
Допустимая амплитуда вибрации , мкм	100	70	40

Таблица В.7 - Цилиндры и межступенчатые аппараты поршневых машин

Частота колебаний, Гц	< 10	> 10
Допустимая амплитуда вибрации , мкм	250	200

Таблица В.8 - Подшипники турбоагрегатов

Частота колебаний, Гц	25 - 50	50 - 80	80 - 135	> 135
Допустимая амплитуда вибрации , мкм	95	20	13	1,5

Таблица В.9 - Подшипники электродвигателей

Частота колебаний, Гц	< 12,5	12,5 - 16,5	16,5 - 25	25 - 50
Допустимая амплитуда вибрации , мкм	80	65	50	25

Таблица В.10 - Рабочее место машиниста

Частота колебаний, Гц	< 3	3 - 5	5 - 8	8 - 15	15 - 30	> 30
Допустимая амплитуда вибрации , мкм	300	200	75	25	15	5