案例分享 | 管道振动现场诊断与改进方案
如何在3-5天时间内搞定现场出现的管道振动问题？管道振动现场诊断与改进，分三步走：· 管线检查；
· 管道故障诊断和根因分析 (RCA)；
· 方案验证评估。
一、管线检查
管线检查可以分为三个阶段：准备阶段、目视检查、振动测量。其中，准备阶段包括筛选最有可能受到振动的管线。此阶段针对管线的筛选基于以下基本信息：
· 流体和管线特性（流量、密度、直径等）；
· 振动风险设备（往复泵或压缩机等）；
· 客户报告提出的问题。
图1 现场检查示例图片
首先，对筛选出的管线进行目视检查，重点关注小口径管连接 (SBC) 和仪表管，这是疲劳失效的主要部位。另外，也需要评估主管道的支撑结构是否起到有效支撑作用。管线的检查根据行业规范与指南文件进行。在检查过程中，若发现支撑结构、SBC或仪表管存在风险，需要对它们进行振动测试。
通常使用便携式设备测量振级。将测得的振级与主管道和小口径管道连接的振动限值进行比较，分析数据确定引起振动的原因。通常可以直接在现场提出整改措施，不需要仿真验证。在现场可能提出的典型建议包括但不限于：
· 增加新的支撑；
· 调整现有支撑；
· 控制不平衡和/或设备的安装；
· 确认缓冲罐的效率；
· 改进设计。
如有必要，可以对已识别出的风险项作深入诊断。
二、故障诊断和根本原因分析 (Root Cause Analysis,RCA)
现场诊断分为三个步骤：
· 现场故障诊断（检查、工作变形分析– ODS、实验模态分析– EMA）；
· 提出改进措施；
· 验证改进措施。
振动测试前，最好能获取有关管网所有可用的历史数据（如：设计变更、关注的问题、工艺配置等）。
1. 管网振动检查
带上所有一切必要的测试设备进行现场检查。详细测试之前，先进行目视检查，检查管道部件例如小口径管的连接是否存在异常，是否存在无效支撑等。目的是识别整个管线振动风险较高的区域。
在系统启动/关闭以及正常运行条件下，进行初步测试。在以下部件附近的管线上布置测点：
· 机体；
· 排放管；
· 管道；
· 管道支撑；
· 洗涤器和冷却器；
· 支撑结构；
· 阀门；
· 小口径管连接。
图2 测点布置
将测量得到的振动结果与验收标准进行比较，确定哪些频率下会出现振动风险。运用指南和内部评估方法，量化振动风险，确定需要详细分析的部件。
分析测得的频谱曲线，确定可能的激励源。特别要注意可能由流动激励引起的低频和机械转频。
在可能的情况下，将动态压力传感器安装在管道振级最高的区域，测量脉动水平并确定可能的声共振。
2. 工作变形分析 (ODS)
选择管线有代表性的位置，定义测点网格。测试结果可以展现管道检查过程中识别出的存在振动风险区域的动态行为。根据管线尺寸和问题类型，通常需要20到50个测点，才能完整认识振动问题。
图3 工作变形分析示例
ODS可用来描述管线的变形，验证管道支撑的有效性。可以额外在管道特定位置使用应变片进行测量，用于验证管道的机械强度。还可以校准有限元模型，用于评价改进方案。
3. 实验模态分析 (EMA)
在没有流体流动（非运行中的管线）的情况下进行测试。使用力锤敲击结构。可以对有风险的管道区域、小口径管连接或热电偶套管等部位进行测试。
图4 实验模态分析对象与结果示例
测试目的是识别系统的固有频率和相关的模态振型。将ODS和EMA结果进行比较，识别自然系统共振，这可以解释运行中的管路为什么会出现较高的振级。EMA的结果可用于校准有限元模型，进而评估改进措施。
4. 现场补救措施
测试完成后，在现场进行基本分析，确定可能的振动原因。在现场即可提出改进措施，如果这些措施不需要计算验证的话。在现场提出的典型建议包括：增加支撑、修改现有支撑、提高缓冲罐效率等。
图5 现场改进支撑措施示例
5. 后处理
最后，要对现场获得的数据进行更详细的分析，以完善诊断并更准确地确定可能的解决方案。提交的技术报告中将展示现场的测试结果、分析等总结内容。
6. 改进措施
导致管道振级较高的原因有很多。例如：
· 支撑结构的共振；
· 管道的共振；
· 部件（阀门、冷却器等）的内部故障；
· 异常激励力（脉动、机械激励等）；
· 无效的支撑结构。
识别出共振后，需要对结构进行调整，改变它的模态。在管道共振的情况下，可以修改支撑结构。根据模态振型和结构设计，需要建立结构的有限元模型计算结果。模型复杂程度取决于诊断的问题，仿真分析需要系统的详细信息（总体布置、图纸、等轴测图等）。
用测试结果对模型进行校准，可以表征系统的真实行为。在有限元模型中对结构进行修改，并评估其有效性。有限元模型校准有助于减小模型与实际的误差，大大提高计算的准确性。
图6 仿真模型示例图片
对于提出的解决方案，需要判断方案的效果，主要的评判标准包括共振频率的调整和部件上的振动速度级。最后，需要展示并验证所推荐的改进措施。
7. 验证方式
在采取现场改进措施后，建议进行现场验证评估，确保振动问题诊断完整并被解决。
三、案例分享
马拉科夫公司 (Malakoff Corporation Berhad) 在马来西亚威斯利省 (Seberang Perai) 的电厂出现管线振动问题，受邀请前往现场进行管线振动风险评估以及问题诊断。此项目分为现场检查、后处理和提出改进措施两部分进行。
现场检查包括：
安排2名技术工程师到现场，他们都有直升机水下逃生训练 (HUET) 资质，该资质是油气公司海上作业人员的必备条件。
整个项目的周期在3-5天之间，具体取决于现场场地的大小。这个时间将包括：前往作业现场、获得工作许可、工作准备、现场检查、测试、汇报等。
(注：雨天不能进行户外测试，天气条件的影响可能会导致项目的延迟。)
来源：管道振动技术微信公众号，作者：懿朵科技。
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