چهارشنبه ۱۵ مرداد ۰۴ ۱۳:۱۶ ۳ بازديد
لرزش یک خطر جدی برای سیستم‌های لوله‌کشی است که باعث خستگی و سایر مشکلاتی می‌شود که می‌تواند منجر به خاموشی برنامه‌ریزی نشده، از کارافتادگی، آتش‌سوزی و انفجار شود. علل رایج لرزش لوله عبارتند از: برهمکنش سیال/سازه، ریزش گردابه‌های داخلی (ناشی از جریان) و خارجی (ناشی از باد)، پالس‌های فشار ناشی از باز/بسته شدن ناگهانی شیرها و همچنین ضربان در دستگاه‌های تولید جریان ناپیوسته مانند پمپ‌های پیستونی و کمپرسورهای رفت و برگشتی متصل به سیستم‌های لوله‌کشی. علاوه بر ضربان، دستگاه‌های تولید جریان ناپیوسته مانند کمپرسورهای رفت و برگشتی، نیروهای دینامیکی دیگری از جمله، اما نه محدود به، «نیروهای گاز سیلندر» را تولید می‌کنند. برخی از این اختلالات، مانند نیروهای ضربان، را می‌توان با راه‌حل‌های سیالاتی/صوتی مانند میراگرهای ضربان کاهش داد. اما اختلالات مکانیکی مانند «نیروهای گاز سیلندر» باید در طراحی مکانیکی سیستم لوله‌کشی، با توجه به دینامیک، مورد توجه قرار گیرند.
فرکانس‌های طبیعی و حالت‌های ارتعاش
همانند سایر سازه‌ها، سیستم‌های لوله‌کشی تمایل به ارتعاش در فرکانس‌های خاصی دارند که فرکانس‌های طبیعی نامیده می‌شوند و شکل‌ها/الگوهای مربوط به آنها که شکل مد نامیده می‌شوند، ارتعاش می‌کنند. فرکانس‌ها و مدهای طبیعی به توزیع جرم و سختی سیستم لوله‌کشی بستگی دارند.
ارتعاشات بیش از حد لوله اغلب به دلیل همزمانی بین فرکانس ضربان و فرکانس طبیعی مکانیکی لوله‌کشی ایجاد می‌شوند. ضروری است که یا از این حالت رزونانس جلوگیری شود یا با افزودن میرایی به سیستم لوله‌کشی، ارتعاش رزونانس کاهش یابد.
وقتی یک سیستم لوله‌کشی توسط یک اغتشاش دینامیکی با فرکانسی که با یکی از فرکانس‌های طبیعی آن منطبق است، تحریک می‌شود، سیستم با میرایی ذاتی پایین، متحمل جابجایی‌ها و تنش‌های بزرگی می‌شود. این پدیده که به عنوان رزونانس شناخته می‌شود، در سیستم‌هایی با میرایی مکانیکی پایین باعث ارتعاش بیش از حد، حتی خستگی و در نتیجه شکست می‌شود.
ارتعاش ناشی از جریان ناشی از سرعت‌های بالای جریان و آشفتگی در ناپیوستگی‌های لوله‌ها (اتصالات شاخه‌ها، خم‌ها و موارد مشابه) یک سناریوی رایج است که می‌تواند سیستم‌های لوله‌کشی را تشدید کند. در یک کارخانه فشرده‌سازی گاز با قطاری متشکل از یک کمپرسور گریز از مرکز با توربین گازی و یک پکیج پس‌خنک‌کننده، مشخص شد که لوله‌کشی تخلیه پس‌خنک‌کننده در یک جهت بیش از حد می‌لرزد. مشخص شد که میزان ارتعاش با افزایش دبی جرمی تحویلی توسط کمپرسورها افزایش می‌یابد و از معیارهای قابل قبول کارخانه فراتر می‌رود.
ارتعاش ناشی از نیروهای گاز سیلندر در کمپرسورهای رفت و برگشتی، که ناشی از حرکت نوسانی هر سیلندر است، نمونه دیگری از اختلالاتی است که می‌تواند سیستم‌های لوله‌کشی متصل به کمپرسور را تشدید کند.
در یک کاربرد، دو خط گاز طبیعی که توسط کمپرسورها در یک نیروگاه تغذیه می‌شدند، چنین ارتعاش رزونانسی را در هر سه جهت نشان دادند. نمودارهای شتاب حوزه زمان و فرکانس اندازه‌گیری شده در شکل 1، میزان ارتعاش اندازه‌گیری شده را در جهات مختلف، در یک مکان روی لوله نشان می‌دهند.
نمودارهای کاهش ارتعاش - شتاب لوله در حوزه زمان و فرکانس که در یک مکان اندازه‌گیری شده است
شکل 1 شتاب لوله در حوزه زمان و فرکانس که در یک مکان اندازه‌گیری شده است
در یک کاربرد دیگر، دو سیستم لوله‌کشی ۶ اینچی که حامل محلول دوفازی در یک پالایشگاه نفت بودند، در معرض آشفتگی ناشی از جریان و فرآیند قرار گرفتند، به طوری که هر ۳۰ ثانیه یا بیشتر، یک انفجار کوتاه از نیروی تصادفی، لوله‌ها را به ارتعاش در می‌آورد و بیشتر انرژی ارتعاش در اولین فرکانس‌های طبیعی آنها بود. شکل ۲ شتاب دامنه زمان و فرکانس لوله را در جهت عمودی که در یک مکان روی یکی از لوله‌ها اندازه‌گیری شده است، نشان می‌دهد.
وصیه‌ها و راهکارها
یک راه حل رایج برای کاهش ارتعاش لوله در معرض اغتشاش هارمونیک، ایجاد عدم تطابق بین فرکانس تحریک و فرکانس طبیعی لوله کشی با افزایش قطر لوله کشی و/یا پیکربندی گسترده تر تکیه گاه برای لوله کشی است. راه حل اول وزن و هزینه لوله کشی را افزایش می دهد و راه حل دوم می تواند تأثیر نامطلوبی بر تنش های حرارتی داشته باشد. به عنوان مثال، یک سیستم لوله کشی سفت با تکیه گاه های زیاد (مانند پیچ و مهره های U شکل، گیره ها و غیره) ممکن است سیستم لوله کشی را سفت کرده و فرکانس های طبیعی آن را افزایش دهد، اما تنش های حرارتی و بارهای واکنش ممکن است خیلی زیاد شوند و از حد قابل قبول فراتر روند .
افزودن میرایی مکانیکی به سیستم لوله کشی یک راه حل جایگزین جذاب است. این کار را می توان با هدف قرار دادن یک حالت ارتعاش و اضافه کردن میرایی تنظیم شده به آن یا با ترکیب میرایی باند پهن که می تواند میرایی را به چندین حالت ارتعاش اضافه کند، انجام داد. در بخش زیر، میراگرهای جرمی تنظیم شده برای ارائه میرایی تنظیم شده و میراگرهای ویسکوز برای ارائه میرایی باند پهن شرح داده شده و اثربخشی میرایی آنها به صورت عددی نشان داده شده است. علاوه بر این، مزایا و معایب هر راه حل میرایی ارائه شده است.
الف) میراگرهای جرمی
تنظیم‌شده میراگرهای جرمی تنظیم‌شده (TMD) که از یک عنصر اینرسی (جرم) معلق توسط عناصر مستهلک‌کننده انرژی (میرایی) و ارتجاعی (بازگرداننده) تشکیل شده‌اند، دستگاه‌های اصلاح ارتعاش باند باریک بسیار موثری هستند که معمولاً برای میرایی ارتعاش یک سازه در یک فرکانس تشدید خاص استفاده می‌شوند.
TMD ها در مکان‌هایی به سازه مرتعش متصل می‌شوند که بتوانند به طور مؤثر با مد(های) هدف جفت شوند. شکل 3 دو TMD نصب شده بر روی یک جفت سیستم لوله‌کشی را نشان می‌دهد. یکی از مزایای اصلی TMD ها این است که آنها فقط باید از یک انتها به سازه مرتعش متصل شوند و نیازی به مهار شدن به تکیه‌گاه در انتهای دیگر خود ندارند . انتهای آزاد TMD های نشان داده شده در شکل 3 گواهی بر این ویژگی بسیار جذاب و مطلوب TMD ها است.
ب) میراگرهای ویسکوز و ویسکوالاستیک
میراگرهای ویسکوز دستگاه‌های میرایی باند پهن هستند و نیازی به تنظیم روی یک فرکانس رزونانس خاص ندارند. میراگرهای ویسکوز سرراست‌تر و کم‌هزینه‌تر از میراگرهای جرمی تنظیم‌شده هستند. به دلیل ماهیت باند پهن آنها، یک میراگر ویسکوز می‌تواند میرایی را به چندین حالت ارتعاش اضافه کند، در حالی که چندین TMD، که هر کدام روی یک فرکانس طبیعی (معمولاً اولین فرکانس) سیستم لوله‌کشی تنظیم شده‌اند، برای درمان چندین حالت ارتعاش مورد نیاز هستند.
برخلاف میراگرهای جرمی تنظیم‌شده که دستگاه‌های تک نقطه‌ای هستند و باید فقط از یک انتها به سازه مرتعش متصل شوند و انتهای دیگر آنها آزاد باشد، میراگرهای ویسکوز دستگاه‌های میراگر دو نقطه‌ای هستند و باید از یک انتها به سازه مرتعش متصل شوند و از انتهای دیگر به یک تکیه‌گاه صلب (تکیه‌گاه) مهار شوند؛ توجه داشته باشید که میراگرهای دو نقطه‌ای ارتعاش را از سازه مرتعش به سازه تکیه‌گاه منتقل می‌کنند .
میراگرهای ویسکوز و ویسکوالاستیک معمولاً برای کاهش ارتعاشات رزونانس سیستم‌های لوله‌کشی استفاده می‌شوند. میراگرهای ویسکوز به تکیه‌گاه‌های صلب (نقاط تکیه‌گاهی) نیاز دارند که ممکن است در دسترس نباشند. در صورت عدم وجود نقاط تکیه‌گاهی، می‌توان از میراگرهای جرمی تنظیم‌شده برای کاهش مشکلات ارتعاش در این سیستم‌های لوله‌کشی استفاده کرد.
منبع : متالاین
فرکانس‌های طبیعی و حالت‌های ارتعاش
همانند سایر سازه‌ها، سیستم‌های لوله‌کشی تمایل به ارتعاش در فرکانس‌های خاصی دارند که فرکانس‌های طبیعی نامیده می‌شوند و شکل‌ها/الگوهای مربوط به آنها که شکل مد نامیده می‌شوند، ارتعاش می‌کنند. فرکانس‌ها و مدهای طبیعی به توزیع جرم و سختی سیستم لوله‌کشی بستگی دارند.
ارتعاشات بیش از حد لوله اغلب به دلیل همزمانی بین فرکانس ضربان و فرکانس طبیعی مکانیکی لوله‌کشی ایجاد می‌شوند. ضروری است که یا از این حالت رزونانس جلوگیری شود یا با افزودن میرایی به سیستم لوله‌کشی، ارتعاش رزونانس کاهش یابد.
وقتی یک سیستم لوله‌کشی توسط یک اغتشاش دینامیکی با فرکانسی که با یکی از فرکانس‌های طبیعی آن منطبق است، تحریک می‌شود، سیستم با میرایی ذاتی پایین، متحمل جابجایی‌ها و تنش‌های بزرگی می‌شود. این پدیده که به عنوان رزونانس شناخته می‌شود، در سیستم‌هایی با میرایی مکانیکی پایین باعث ارتعاش بیش از حد، حتی خستگی و در نتیجه شکست می‌شود.
ارتعاش ناشی از جریان ناشی از سرعت‌های بالای جریان و آشفتگی در ناپیوستگی‌های لوله‌ها (اتصالات شاخه‌ها، خم‌ها و موارد مشابه) یک سناریوی رایج است که می‌تواند سیستم‌های لوله‌کشی را تشدید کند. در یک کارخانه فشرده‌سازی گاز با قطاری متشکل از یک کمپرسور گریز از مرکز با توربین گازی و یک پکیج پس‌خنک‌کننده، مشخص شد که لوله‌کشی تخلیه پس‌خنک‌کننده در یک جهت بیش از حد می‌لرزد. مشخص شد که میزان ارتعاش با افزایش دبی جرمی تحویلی توسط کمپرسورها افزایش می‌یابد و از معیارهای قابل قبول کارخانه فراتر می‌رود.
ارتعاش ناشی از نیروهای گاز سیلندر در کمپرسورهای رفت و برگشتی، که ناشی از حرکت نوسانی هر سیلندر است، نمونه دیگری از اختلالاتی است که می‌تواند سیستم‌های لوله‌کشی متصل به کمپرسور را تشدید کند.
در یک کاربرد، دو خط گاز طبیعی که توسط کمپرسورها در یک نیروگاه تغذیه می‌شدند، چنین ارتعاش رزونانسی را در هر سه جهت نشان دادند. نمودارهای شتاب حوزه زمان و فرکانس اندازه‌گیری شده در شکل 1، میزان ارتعاش اندازه‌گیری شده را در جهات مختلف، در یک مکان روی لوله نشان می‌دهند.
نمودارهای کاهش ارتعاش - شتاب لوله در حوزه زمان و فرکانس که در یک مکان اندازه‌گیری شده است
شکل 1 شتاب لوله در حوزه زمان و فرکانس که در یک مکان اندازه‌گیری شده است
در یک کاربرد دیگر، دو سیستم لوله‌کشی ۶ اینچی که حامل محلول دوفازی در یک پالایشگاه نفت بودند، در معرض آشفتگی ناشی از جریان و فرآیند قرار گرفتند، به طوری که هر ۳۰ ثانیه یا بیشتر، یک انفجار کوتاه از نیروی تصادفی، لوله‌ها را به ارتعاش در می‌آورد و بیشتر انرژی ارتعاش در اولین فرکانس‌های طبیعی آنها بود. شکل ۲ شتاب دامنه زمان و فرکانس لوله را در جهت عمودی که در یک مکان روی یکی از لوله‌ها اندازه‌گیری شده است، نشان می‌دهد.
وصیه‌ها و راهکارها
یک راه حل رایج برای کاهش ارتعاش لوله در معرض اغتشاش هارمونیک، ایجاد عدم تطابق بین فرکانس تحریک و فرکانس طبیعی لوله کشی با افزایش قطر لوله کشی و/یا پیکربندی گسترده تر تکیه گاه برای لوله کشی است. راه حل اول وزن و هزینه لوله کشی را افزایش می دهد و راه حل دوم می تواند تأثیر نامطلوبی بر تنش های حرارتی داشته باشد. به عنوان مثال، یک سیستم لوله کشی سفت با تکیه گاه های زیاد (مانند پیچ و مهره های U شکل، گیره ها و غیره) ممکن است سیستم لوله کشی را سفت کرده و فرکانس های طبیعی آن را افزایش دهد، اما تنش های حرارتی و بارهای واکنش ممکن است خیلی زیاد شوند و از حد قابل قبول فراتر روند .
افزودن میرایی مکانیکی به سیستم لوله کشی یک راه حل جایگزین جذاب است. این کار را می توان با هدف قرار دادن یک حالت ارتعاش و اضافه کردن میرایی تنظیم شده به آن یا با ترکیب میرایی باند پهن که می تواند میرایی را به چندین حالت ارتعاش اضافه کند، انجام داد. در بخش زیر، میراگرهای جرمی تنظیم شده برای ارائه میرایی تنظیم شده و میراگرهای ویسکوز برای ارائه میرایی باند پهن شرح داده شده و اثربخشی میرایی آنها به صورت عددی نشان داده شده است. علاوه بر این، مزایا و معایب هر راه حل میرایی ارائه شده است.
الف) میراگرهای جرمی
تنظیم‌شده میراگرهای جرمی تنظیم‌شده (TMD) که از یک عنصر اینرسی (جرم) معلق توسط عناصر مستهلک‌کننده انرژی (میرایی) و ارتجاعی (بازگرداننده) تشکیل شده‌اند، دستگاه‌های اصلاح ارتعاش باند باریک بسیار موثری هستند که معمولاً برای میرایی ارتعاش یک سازه در یک فرکانس تشدید خاص استفاده می‌شوند.
TMD ها در مکان‌هایی به سازه مرتعش متصل می‌شوند که بتوانند به طور مؤثر با مد(های) هدف جفت شوند. شکل 3 دو TMD نصب شده بر روی یک جفت سیستم لوله‌کشی را نشان می‌دهد. یکی از مزایای اصلی TMD ها این است که آنها فقط باید از یک انتها به سازه مرتعش متصل شوند و نیازی به مهار شدن به تکیه‌گاه در انتهای دیگر خود ندارند . انتهای آزاد TMD های نشان داده شده در شکل 3 گواهی بر این ویژگی بسیار جذاب و مطلوب TMD ها است.
ب) میراگرهای ویسکوز و ویسکوالاستیک
میراگرهای ویسکوز دستگاه‌های میرایی باند پهن هستند و نیازی به تنظیم روی یک فرکانس رزونانس خاص ندارند. میراگرهای ویسکوز سرراست‌تر و کم‌هزینه‌تر از میراگرهای جرمی تنظیم‌شده هستند. به دلیل ماهیت باند پهن آنها، یک میراگر ویسکوز می‌تواند میرایی را به چندین حالت ارتعاش اضافه کند، در حالی که چندین TMD، که هر کدام روی یک فرکانس طبیعی (معمولاً اولین فرکانس) سیستم لوله‌کشی تنظیم شده‌اند، برای درمان چندین حالت ارتعاش مورد نیاز هستند.
برخلاف میراگرهای جرمی تنظیم‌شده که دستگاه‌های تک نقطه‌ای هستند و باید فقط از یک انتها به سازه مرتعش متصل شوند و انتهای دیگر آنها آزاد باشد، میراگرهای ویسکوز دستگاه‌های میراگر دو نقطه‌ای هستند و باید از یک انتها به سازه مرتعش متصل شوند و از انتهای دیگر به یک تکیه‌گاه صلب (تکیه‌گاه) مهار شوند؛ توجه داشته باشید که میراگرهای دو نقطه‌ای ارتعاش را از سازه مرتعش به سازه تکیه‌گاه منتقل می‌کنند .
میراگرهای ویسکوز و ویسکوالاستیک معمولاً برای کاهش ارتعاشات رزونانس سیستم‌های لوله‌کشی استفاده می‌شوند. میراگرهای ویسکوز به تکیه‌گاه‌های صلب (نقاط تکیه‌گاهی) نیاز دارند که ممکن است در دسترس نباشند. در صورت عدم وجود نقاط تکیه‌گاهی، می‌توان از میراگرهای جرمی تنظیم‌شده برای کاهش مشکلات ارتعاش در این سیستم‌های لوله‌کشی استفاده کرد.
منبع : متالاین
- ۰ ۰
- ۰ نظر