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管路振动强度
MuravievaLiudmilaVictorovna
(俄罗斯联邦圣彼得堡圣彼得堡国立理工大学)
摘要：海上油气管道的损坏，对海洋环境造成严重污染。地震期间管道损坏的程度取决于许多因素：地震力和地震波传播方向、地质和地下水条件、操作和工艺职责、管道设计和接头、管道材料特性和管道磨损程度。海底管线的结构可靠性要求比地下管线和架空管线的结构可靠性要求要严格得多。海上管道处于复合应力状态。其特点是压力脉动引起的管壁张力和振动引起的周期性弯曲。本章讨论振动分析问题。主要目标是向行业专家介绍地震区海上管道的振动评估原则，并概述振动问题的解决方案。基于固有频率分析的海上管道动态计算仅在工业建筑标准中给出。
关键词：海洋海底管道；管壁应力；管道振动；海洋管道运动幅度；海洋管道抗震性能
1 .导言
海上管道的运行过程中，由于泵装置的运行、关闭阀的激活、紧急关闭及外部影响，会产生振动。手册（设计文件）中强调了振动保护问题，但在海上管道系统的设计阶段，这些因素并未考虑在内。输油管道是俄罗斯的新型建筑。只有在VSN R 42-81[8]中，才考虑铺设海底管道的动态问题定义。所有私人石油开采公司都对研究不感兴趣。管道振动的研究需要国家的研究。
规定考虑了作用于海上管道的以下应力：运输产品、温度暴露和重量涂层；但是，在操作过程中不考虑管道壁上的动态载荷性质。
当对管道振动危险性评估进行计算时，应使用标准来确定管道的振动行为。管道因冲击、地震等外部效应引起的振动可以用强迫振动方程的一般积分来描述。
例如，在管道支架固定的底板振动情况下（图1 a和b），后者具有动态影响，其程度由支架屈服确定。
有机会以弹性曲线的形式确定受到振动的管道的应力状态是非常重要的，弹性曲线是在外部激励引起的振动期间发生的。管壁应力可作为判定标准。
2．振动结构
它被用作振动下结构的可靠性系数。在谐波振动作用下，振动速度可作为管道的可靠性判据。谐波振动具有两个参数：振动频率和位移幅度：
振动速度和振动加速度表示如下：
3．管道弯曲振动
在管道弯曲振动条件下，当各种固定条件下的应力和振动速度分布明显不同时，应分别确定每种情况下的系数:
管道弹性曲线的形式用正弦波表示。
,
其中,Y0是振动振幅。
管道随机位置的弯矩等于：
图1。激振力,（a）通过弹性支承的激励；（b）振动的运动激励。
I是惯性矩
管道最大应力:
那么W是管道中的阻力矩
在初始近似下，某些典型的理想振动形式被用于振动分析。然后，管道的自振频率用以下公式表示：
其中，F是管道的方形部分。
最大振动速度由以下方程式确定:
其中是底板的振动速度；eta;是动态放大系数；K是形状啮合系数:
是管道振动和电流坐标的无量纲形式。
为了保证管道的抗振性能，膨胀弯管被认为是管道的减振元件。膨胀弯管防止振动沿管道传递。
4．管道振动分析
天然振动下管道横截面上的应力可通过以下方程式确定：
作用在管道上的应力可表示为：
式中EI为管道弯曲刚度,N·m2
振动允许振幅等于:
其中[sigma;]是管道金属中的容许应力
利用瞬时振动参数的均方根对管道振动进行分析，分析周期由以下公式确定：
实际管道振动的测量结果表明，这种振动是复杂的，在某些情况下是随机的。为确定管壁应力，应考虑由于所运输产品的工作压力而产生的工艺荷载Pp静水压头压力的影响以及压力脉动和地震力等管道的时变荷载。在管道随机振动分析中，采用谱方法是有效的。
燃气管道的内部压力产生随机振动。
管壁的弹性应力可表示为：
其中，delta;是动态应力，N/m2。压力以这种方式变化p，在这种情况下，管壁中弹性力和内力之间的平衡应等于：
由于给定频率下的位移和加速度与omega;2有关，因此表达式可改为：
或者：
压力脉动和振动引起的轴向组合应力：
5。光谱变换
谱密度对应于内压正弦振动的谱形式周期函数谱ST（f）由时间函数的直接傅立叶变换确定:
频率倍数为1/T时S函数的复权。它们将函数的膨胀系数表示为一个傅立叶级数，如下所示：
冲击的时间函数ST（t）和光谱函数C[m]是冲击的主要特征。它们由一个复杂的傅立叶级数相互关联。
包含n个振动的函数由以下方程描述:
然后，振幅谱由以下表达式确定
取较小的值
根据单自由度系统方案完成振动分析后（包括管道及其部件的减轻重量和弹性支撑作用），应计算支撑元件的应力和变形。
与管道支架加速度相关的最大应力传递函数可写为:
管道对随机激励响应的光谱密度将等于:
考虑到拉伸强度和疲劳强度，管壁应力的允许振幅可由以下公式计算：
,
式中，sigma;B为拉伸强度；sigma;-1为对称加载循环下的疲劳强度；beta;为考虑管道表面光洁度对疲劳强度影响的系数：对于新管道，beta;=0.80–0.85；对于腐蚀敏感管道，此系数减小至beta;=0.5；k为应力集中度。
应力比如下:
,
在管道系统的安装过程中，应假设在审查期间最可能的海况下，额定自然荷载为最大值，该值可通过（Нз，Тр）和适用的水流和风况确定。在自然环境的最可能参数（即波浪、水流和风）下，假定额定荷载为最大值等于。
其中R(LE)是概率分布函数LE
N是一定海况下长度至少为3h的装载循环次数。
注意，审查期间的具体海况可解释为适用位置和管道铺设期间的海况。一般要求是时间段的持续时间应足够长，以考虑所有潜在的延误。管道敷设时间不得超过该时间间隔。可以使用参考数据或曼森公式定义sigma;-1值：
这里N是一些加载循环
6。管道振动限制
管道振动限制规定可分为以下几类：
bull;管道的坚固性和质量
bull;管道在外部振动下的抗振动性。
要求[设计文件]规定，“工艺管道振动的最大允许振幅为0.2 mm，最大振动频率为40 Hz”。
海上管道规范既不提供压力脉动限制，也不提供振动限制。
当主振型下管道的低频振动接近谐波时，可以根据振动位移的振幅很容易地评估管道的低频振动，因为在这种情况下，它们与管道中产生的应力成正比，可以被视为管道的强度系数。
我们利用公式得到振动的k形表达式，即振动的均方根值：
如果发生随机振动，管道中的组合应力如下：
在评估振动强度时，应确定管道各代表段的等效振动应力的最大振幅。这种振幅是由于各种模态叠加而得到的。传递函数的维数取决于扰动类型和传递函数所对应的响应。
当受到随机振动时，可使用管道支架加速度最大应力传递函数求出管道最大应力的均方根值：
式中Vl为振动速度（mm/s）；a为振幅为B0的振动加速度（mm/s2）；fk为多重系数k的频率。
在评估振动强度时，应为管道的每个代表部分确定等效振动应力的最大振幅。这种振幅是由于各种模态叠加而得到的。传递函数的维数取决于扰动类型和传递函数所针对的响应。
当受到随机振动时，可使用管道支架加速度最大应力传递函数求出管道最大应力的均方根值：
其中D是管道的外径。
管道对宽带随机振动的响应可以定义为几种窄带随机振动的组合效应。管道在低阻尼下的窄带振动是对宽带激励的响应。窄带振动的平均频率可由Rice公式计算得出：
受振动影响的管道运动均方根值可由以下公式计算：
,
式中，eta;f为管道定点位移振幅与管段在规定频率下的相对位移振幅之间的动态响应系数关系；Ф（f）为频率带f1和f2中受扰随机振动的谱密度；Delta;fi为频率带分段的间隔。在f1，f2；N是频带分割的若干间隔。
由于对各种设备的振动能力特性的要求多种多样，标准化振动限值的制定十分复杂。
然而，为了确定暴露在振动中的管道系统可靠性，需要考虑振动对故障和故障的影响，前提是对结构中的损伤累积和故障发生的某些假设。如果管道（支架）弹性元件的应力被视为失效标准，则应使用支架结构的计算模型评估支架的振动强度。私营石油开采公司申请管道埋置。它只是隐藏了一个问题。在地震现象中，地球的厚度会产生振动。
在分析20赫兹以内的第一种基本振动形式时，经常使用振动位移作为试验参数。
管道的强制性振动试验包括以下几个阶段：系统运行条件的研究和作用于管道的动态荷载分析；潜在失效模式的确定；以及振动导致的失效发生标准的选择。
天然气工业部的规定，用振动速度Ve=18mm/s测量紧急振动等级，用超标Ve=41mm/s估计警告振动等级。
在管道振动分析中，必须了解系统各部件的刚度特性。永久圆形截面管道的刚度特征是:EI为弯曲刚度，N·m2。
到目前为止，还没有为海上管道定义频率范围，其中一个或另一个振动参数应用于振动限制目的。
振动的允许振幅定义如下：
不同频率下的振动应力振幅是在计算管道的强迫振动时确定的。
管道振动强度的主要标准是将固有频率fj与激励荷载fipr的离散频率失谐，如2.2所述。
让我们来确定在活动底板上运动激励的管道的安全振动速度。不同频率的振动电压幅度由管道强迫振动计算结果决定。确保管道抗振性的方法是使结构的固有频率fj失谐。
带有保护涂层的海洋管道振动，以减少管道与涂层的相互作用，从而导致涂层开裂和涂层损坏。
例子
管道的振动强度。
当主振型下管道的低频振动接近谐波时，可以根据振动位移的振幅很容易地评估管道的低频振动，因为在这种情况下，它们与管道中产生的应力成正比，可以被视为管道的强度系数。
可以使用参考数据或曼森公式定义sigma;1值:，这里N是一系列加载循环。
下面我们来考虑一下计算管壁许用应力振幅的例子。
对额定压力为17.5Mpa的海上管道登陆段的振动速度（响应特性：Vmax=0.0103cm/s的均方根值）和压力脉动幅度Delta;P=0.5Mpa进行了研究。管道外径d=406mm，壁厚17.5mm。材料等级为X52（sigma;в=455 MPa，б-1=916 MPa，E=0.20457106MPa，sigma;e=358 MPa）。管截面模量W=0.00199 m3。
,
如果管段长度L为30 m，位移y0由式（7）确定，等于0.026 m，考虑式（9）Vmax=0.035 m。
如果压力脉动Delta;P为0.5MPa，工作压力为15.7MPa（beta;=0.8），则管壁应力变化为6.386MPa。应力比(17)qr为0.938。考虑到钢的拉伸强度和疲劳强度，管壁的应力振幅等于
sigma;∆q=12.553 MPa（见表1）。
温度波动Delta;t=5℃导致管壁应力变化为12.36MPa，等于式（19）中的rt=0.817。允许拉伸强度和疲劳
|
特性名称 |
钢 X52phi;406 X65phi;711 |
|
屈服强度,MPa 强度极限,Rm,MPa 金属管道的许用应力sigma;,MPa |
358 448 455 530 255.6 292.8 |
表1。钢管的主要物理特性。
图2。计算过程中使用的加速度记录。
管线钢强度（见表1），管壁应力振幅sigma;∆t=38.322 MPa。管道的疲劳强度系数应至少为n=2.0。
我们来回顾一下地震烈度6～MSK-64的地震图，以便进行海上管道登陆段的振动强度分析。地震冲击的特征参数如下：t=0.12 s时，最大加速度amax=0.94485 cm/s2（图2）。
我们得到由谐波组成的信号
资料编号：[5858]
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