船舶壓力管路振動(dòng)失效故障預(yù)報(bào)方法

黃 雷，施方樂

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

壓力管路振動(dòng)是船舶機(jī)械振動(dòng)的重要組成部分。船舶壓力管路振動(dòng)故障主要存在2大危害。1）壓力管路振動(dòng)可能引起空氣噪聲和向船體結(jié)構(gòu)傳遞引起結(jié)構(gòu)噪聲，對(duì)于某些特殊用途船舶來講是難以接受的，如豪華郵輪和軍用艦船；2）壓力管路振動(dòng)還可能進(jìn)一步引起管路撕裂等故障，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

傳統(tǒng)上，機(jī)械振動(dòng)治理主要為采用低噪聲設(shè)備和對(duì)振動(dòng)源設(shè)備進(jìn)行減振和隔振。隨著手段的豐富，正逐步開始對(duì)管路振動(dòng)預(yù)防方面的研究。本文介紹了通過應(yīng)用英國(guó)能量研究所（EI）提供 的分析方法，對(duì)船舶壓力管路物理參數(shù)進(jìn)行定性和定量分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)管路振動(dòng)失效故障進(jìn)行預(yù)報(bào)的方法。

1 船舶壓力管路振動(dòng)故障評(píng)估方法

按壓力管路振動(dòng)故障的評(píng)估流程，可分為被動(dòng)評(píng)估和主動(dòng)評(píng)估2種模式。

被動(dòng)評(píng)估模式是目前常規(guī)采取的模式，即按常規(guī)方法進(jìn)行管道設(shè)計(jì)，不預(yù)先進(jìn)行振動(dòng)分析。在管道系統(tǒng)建成運(yùn)行時(shí)如出現(xiàn)振動(dòng)故障問題，再進(jìn)行針對(duì)性分析，然后采取整改措施。該模式的優(yōu)點(diǎn)是分析工作有限，時(shí)間短，初期投入成本低。缺點(diǎn)是進(jìn)行事后分析與處理，可能難以進(jìn)行整改或難以整改至理想狀態(tài)，后期整改時(shí)間與成本難以把控。

主動(dòng)評(píng)估模式在設(shè)計(jì)時(shí)就對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估分析，找出振動(dòng)隱患，進(jìn)行預(yù)處理。該方式的缺點(diǎn)是前期工作量較大，設(shè)計(jì)時(shí)間增加，投入成本提高。優(yōu)點(diǎn)是提前進(jìn)行評(píng)估，對(duì)可能發(fā)生的振動(dòng)故障問題進(jìn)行了預(yù)判，有利于實(shí)現(xiàn)故障預(yù)防，減輕故障影響。該模式目前在國(guó)際上逐漸開始流行。

就2種評(píng)估模式進(jìn)行對(duì)比可見，雖然前期工作增加投入較高，主動(dòng)評(píng)估模式較被動(dòng)模式更有利于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行把控。本文主要就壓力管路振動(dòng)故障進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)評(píng)估的方法進(jìn)行介紹。

2 評(píng)估范圍的確定

對(duì)船舶壓力管路全面開展振動(dòng)故障評(píng)估將會(huì)帶來較大工作量，對(duì)船舶正常的設(shè)計(jì)周期產(chǎn)生一定影響，必要性不是很強(qiáng)。因此建議有目的地對(duì)某些重要系統(tǒng)或容易產(chǎn)生振動(dòng)故障的壓力管路開展振動(dòng)故障評(píng)估。評(píng)估范圍的確定可按照如下原則：

1）重要性原則。主推進(jìn)裝置、發(fā)電裝置的日用燃/滑油系統(tǒng)、燃/滑油輸送及分離系統(tǒng)、海/淡水冷卻系統(tǒng)；其他重要設(shè)備的液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)；重要的壓縮空氣系統(tǒng)管路，包括柴油機(jī)起動(dòng)空氣系統(tǒng)、重要設(shè)備壓縮空氣供氣系統(tǒng)及全船壓縮空氣供氣主管路；水滅火系統(tǒng)管路。

2）易故障原則。系統(tǒng)壓力＞0.4MPa 的常用油類管路，系統(tǒng)壓力＞0.8MPa 常用水系統(tǒng)管路，以及高流速系統(tǒng)；系統(tǒng)復(fù)雜，支管、盲管較多的管路系統(tǒng)；管路變徑較多的系統(tǒng)；運(yùn)行中經(jīng)常有閥件自動(dòng)開關(guān)、泄放的管路系統(tǒng)；存在壓縮機(jī)、容積式泵的系統(tǒng)；大通徑管路上的小支管。

3 評(píng)估程序

3.1 定性評(píng)估

3.1.1評(píng)估內(nèi)容

首先，應(yīng)對(duì)壓力管路進(jìn)行振動(dòng)定性分析。定性分析過程定義了十項(xiàng)管道發(fā)生振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的潛在激發(fā)因素，以及一項(xiàng)可能產(chǎn)生影響的特定條件和操作因素。

管道發(fā)生振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的十項(xiàng)潛在激發(fā)因素具體判斷可按表1。

續(xù)表1：

可能產(chǎn)生影響的特定條件和操作因素如下：施工質(zhì)量如何、系統(tǒng)維護(hù)計(jì)劃的有效性、是否有周期性操作、每年操作中非計(jì)劃中斷次數(shù)。潛在激發(fā)因素的定性判斷可按表2。

表2 管路發(fā)生振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的管路特定條件和操作因素

3.1.2評(píng)估結(jié)果處理

將以上潛在激發(fā)因素、特定條件和操作因素分別按低、中、高進(jìn)行評(píng)估，其中四項(xiàng)特定條件和操作因素綜合為1項(xiàng)。然后以十一項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行綜合評(píng)估（根據(jù)介質(zhì)相態(tài)進(jìn)行取舍），得出“低、中、高”的最終評(píng)估結(jié)果。對(duì)于“低”評(píng)估結(jié)果的管路系統(tǒng)，可不予處理。對(duì)于“中”、“高”評(píng)估結(jié)果的管路系統(tǒng)，可根據(jù)單項(xiàng)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行定量分析，從而進(jìn)一步對(duì)可能的故障模式、故障點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)與處理。

潛在激發(fā)因素、特定條件和操作因素綜合評(píng)估方法參照?qǐng)D1所示流程圖進(jìn)行。

1）首先評(píng)估4項(xiàng)特定條件和操作因素，適用全部相態(tài)，以1高、2中、1低為中間值，低于該結(jié)果為低，等于該結(jié)果為中，高于該結(jié)果為高。

2）再綜合評(píng)估10項(xiàng)激發(fā)因素，其中2項(xiàng)僅適用氣相流，2項(xiàng)僅適用兩相流，6項(xiàng)適用于全部相態(tài)。

3）最后將10項(xiàng)激發(fā)因素和1項(xiàng)特定條件和操作綜合因素進(jìn)行綜合評(píng)估，得出最終結(jié)果，因此定性評(píng)估按以下判據(jù)執(zhí)行：

（1）液相流。以2高、3中、2低為中間值，低于該結(jié)果為低，等于該結(jié)果為中，高于該結(jié)果為高；

（2）氣相流。以3高、3中、3低為中間值，低于該結(jié)果為低，等于該結(jié)果為中，高于該結(jié)果為高；

（3）兩相流。以3高、3中、3低為中間值，低于該結(jié)果為低，等于該結(jié)果為中，高于該結(jié)果為高。

4）定性分析僅僅表示了管道系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，并不是表示一定會(huì)發(fā)生，只有進(jìn)一步通過定量分析，才能進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。

5）定性評(píng)估的流程框圖見圖1。

圖1 定性評(píng)估的流程框圖

3.2 定量評(píng)估

3.2.1評(píng)估方法

對(duì)于定性分析“中”、“高”評(píng)估結(jié)果的管路系統(tǒng)開展定量分析。按照一定方法，計(jì)算失效可能性參數(shù)值（Likelihood of Failure，LOF），繼而對(duì)管路振動(dòng)故障可能性進(jìn)行評(píng)估。

1）計(jì)算LOF值

主要根據(jù)介質(zhì)相態(tài)、管路形態(tài)來確定分為以下幾種方法。

（1）流體誘發(fā)的振動(dòng)定量分析方法（FIV）

適用于氣相、液相的單相或兩相常溫流體管系，使用最為廣泛。

步驟1：確定動(dòng)能參數(shù)ρV2（ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；V為介質(zhì)流速，m/s）。

步驟2：確定流體黏度系數(shù)（Fluid Viscosity Factor，F(xiàn)VF）

對(duì)于液態(tài)及多相流：FVF＝1。對(duì)于氣相流，如式（1）

式中：μgas為氣體的運(yùn)動(dòng)黏度，Pa·s。

步驟3：確認(rèn)支架布置間距L

具體操作步驟如下。

判斷條件1：

?1.234 6×10-5×Dext2＋0.02×Dext＋2.0563

判斷條件2：

?1.188 6×10-5×Dext2＋0.025 262×Dext＋3.3601

判斷條件3：

?1.596 8×10-5×Dext2＋0.033 583×Dext＋4.429

Dext為管路外徑，mm；剛性強(qiáng)的：L≤判斷條件1；剛性較強(qiáng)的：判斷條件1＜L≤判斷條件2。中間值的：判斷條件2＜L≤判斷條件3；柔性的：L＞判斷條件3。管路支架布置間距與管路外徑對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2，大部分情況下，按照“剛性為中間值（Medium Stiff）”（～7Hz）進(jìn)行選取。

圖2 管路支架間距和管路外徑對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

步驟4：確定流體激振系數(shù)Fv（支架布置，Medium Stiff）

步驟5：計(jì)算LOF值

流體引起的紊流LOF＝(ρV2/Fv)FVF

（2）氣體誘發(fā)的高頻噪音振動(dòng)定量分析方法（AIV）

適用于氣相，分析管系不連續(xù)點(diǎn)的振動(dòng)情況，如支管、三通等位置。高頻噪聲源一般發(fā)生在諸如減壓閥、節(jié)流孔板、快關(guān)閥、安全閥或形成漩渦的支管位置等處。

步驟1：計(jì)算聲源位置和管系不連續(xù)點(diǎn)噪聲級(jí)水平

計(jì)算按圖3中公式及程序。

步驟2：計(jì)算LOF值 計(jì)算按圖4所示公式及流程。

表3 流體激振系數(shù)F v 計(jì)算表

圖3 聲源位置和管系不連續(xù)點(diǎn)噪聲級(jí)水平計(jì)算流程圖

圖4 不連續(xù)點(diǎn)的LOF值計(jì)算流程

代號(hào)說明：

PWL為聲源噪聲，dB；Dext為主管路外徑，mm；dext為主管路外徑，mm；Dint為主管路內(nèi)徑，mm；Ldis為不連續(xù)點(diǎn)和噪聲源之間的距離，mm；P1為高壓部位壓力，Pa；P2為低壓部位壓力，Pa；W為流量，kg/s；Te為系統(tǒng)溫度，K；Mw為氣體的分子重量，g/mol；T為主管壁厚，mm；SFF為聲速流校正系數(shù)，聲速條件下SFF＝6，否則為0。

（2）流體引發(fā)的脈動(dòng)定量分析方法（FIP）

適用于對(duì)大管路上的支管進(jìn)行核算。

步驟1：確定臨界支管管徑

步驟2：判斷支管內(nèi)徑與dcrit的大小關(guān)系，如小于臨界值，需進(jìn)一步核算。

步驟3：確定雷洛數(shù)

2）根據(jù)LOF的值評(píng)估

根據(jù)計(jì)算結(jié)果確認(rèn)后續(xù)工作：

LOF≥1，必須對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行防振動(dòng)處理。

0.5≤LOF＜1，應(yīng)對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行防振動(dòng)處理。

0.3≤LOF＜0.5，應(yīng)對(duì)管道系統(tǒng)主管路上的小通徑分支管路進(jìn)行進(jìn)一步定量分析，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行防振動(dòng)處理，應(yīng)對(duì)操作條件是否合理進(jìn)行檢查，并對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行控制。

LOF＜0.3，可不進(jìn)行處理，但應(yīng)對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行控制，并加強(qiáng)運(yùn)行檢查。

3.2.2評(píng)估結(jié)果處理

對(duì)于定量分析后需要進(jìn)行處理的管路，可通過如下原則和方法進(jìn)行處理：

1）主管主導(dǎo)原則

如果主管經(jīng)過定性定量分析無振動(dòng)故障隱患，則無需對(duì)小通徑支管進(jìn)行振動(dòng)故障隱患分析。

如果主管經(jīng)過定性定量分析無振動(dòng)故障隱患，仍需對(duì)小通徑支管進(jìn)行振動(dòng)故障隱患分析。

小通徑支管經(jīng)分析存在振動(dòng)故障隱患時(shí)，應(yīng)結(jié)合主管一起進(jìn)行治理。

2）調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)法

一般可先調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，然后重新進(jìn)行定性、定量評(píng)估，直至評(píng)估結(jié)果為不需處理。

3）管路建模分析

當(dāng)條件限制，無法進(jìn)一步對(duì)管路設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，則采用CAESAR、AFT等專用軟件對(duì)管路系統(tǒng)建模后進(jìn)行模態(tài)分析、應(yīng)力分析，得出相應(yīng)的振動(dòng)形態(tài)和有害點(diǎn)布置情況。進(jìn)而對(duì)振動(dòng)有害點(diǎn)采取解決措施。

可采取的解決措施主要有：改變管路固有頻率，使之與一階激振頻率錯(cuò)開±20%以上，主要方法有改變支架布置、改變管路壁厚、外壁包裹減振阻尼改變管路事實(shí)壁厚等；加裝阻尼器、彈性支承、彈性吊架，以提供振動(dòng)變形空間，防止撕裂；加裝蓄能器，以平緩管內(nèi)介質(zhì)的振動(dòng)；優(yōu)化管路布置、增加管徑、減少?gòu)濐^、管徑突變，以減少振動(dòng)；減少激勵(lì)源的激勵(lì)；減少管路插入元件，或采用低阻尼元件。具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體分析。

4 結(jié)論

本文主要提供的壓力管路振動(dòng)定性和定量評(píng)估方法同樣也適用于被動(dòng)評(píng)估。在壓力管路振動(dòng)故障發(fā)生后，通過以上方法可以快速確定故障原因，并在采取措施后通過以上方法進(jìn)行評(píng)估處理，以較快地進(jìn)行故障處理。

本文的研究便于相關(guān)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行船舶管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用一種相對(duì)簡(jiǎn)單易行的方法，對(duì)管路振動(dòng)故障發(fā)生的可能性進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)評(píng)估，以盡量避免故障發(fā)生。