基于諧響應分析的煅燒爐進氣管段風險性分析

李星雨，周楊飛

工藝與裝備

基于諧響應分析的煅燒爐進氣管段風險性分析

李星雨，周楊飛

（廣州特種承壓設備檢測研究院 廣東 廣州 510700）

制堿工藝需通過加熱將重堿分解為純堿，反應容器為回轉(zhuǎn)煅燒爐。某制堿企業(yè)因煅燒爐滾圈服役時間過長及平臺不平穩(wěn)等因素導致其進氣管出現(xiàn)振動現(xiàn)象，振動頻率6.8 Hz。通過ANSYS Workbench Model模塊對進氣管進行模態(tài)分析，計算進氣管1～20階模態(tài)分析，得出3階、4階共振頻率分別為5.743 1 Hz、7.489 Hz，與進氣管振動頻率6.8 Hz非常接近，管路近乎達到共振狀態(tài)。對進氣管進行諧響應分析，計算其穩(wěn)態(tài)受迫振動，分析進氣管在掃頻0～100 Hz范圍內(nèi)的振動位移及等效應力，6.8 Hz下最大等效應力出現(xiàn)在焊縫Weld1位置上，對Weld1焊縫進行應力分析，最大等效應力為68.392 MPa，最小等效應力為23.078 MPa，確定Weld1焊縫為危險部位，最大等效應力小于管材屈服強度245 MPa，可以在監(jiān)控狀態(tài)下繼續(xù)使用，服役過程中應重點關注該部位的狀態(tài)及材料性能變化。

管道振動； 模態(tài)分析； 諧響應分析； 等效應力

制堿工藝中有一環(huán)節(jié)為重堿，通過加熱將重堿分解為純堿，這一反應的主要容器為回轉(zhuǎn)蒸汽煅燒爐[1]，是一種大型臥式回轉(zhuǎn)機械，由爐體、進堿、出堿、加熱及傳動裝置等部分組成。爐體前后設有兩個滾圈支撐爐體同時提供旋轉(zhuǎn)動力[2]。爐內(nèi)有呈同心圓排列的加熱管，管內(nèi)通過熱蒸汽為反應提供溫度條件，蒸汽由外部蒸汽發(fā)生器通過進氣管輸送[3]。某制堿企業(yè)煅燒爐由于滾圈服役時間較長及平臺平穩(wěn)度不足等因素，導致煅燒爐進氣管出現(xiàn)振動現(xiàn)象，其中進口處與爐頭法蘭連接，管路末端與蒸汽儲罐相連，管道走向如圖1所示。彎頭處振動最為劇烈，整體呈現(xiàn)低頻較高振幅振動。

1 工程概況

煅燒爐蒸汽進氣管如圖1所示，右側(cè)A處與儲氣罐相連，蒸汽從儲氣罐經(jīng)A口流入管道，為固定剛性連接，左側(cè)上方B處為出口，與煅燒爐爐頭相連，蒸汽經(jīng)B口流入煅燒爐，由于管道振動由于煅燒爐偏心引起，因此B出口可在垂直地面方向上自由移動，在水平方向位移受限。T位置為對應管道中點處，設置吊架，由于服役時間過長，吊架發(fā)生脫離，失去了對管道的固定和位移限制作用。蒸汽進氣管采用氬弧焊環(huán)焊縫焊接方式，管材為20#合金鋼，管道外徑為219 mm，壁厚為10 mm，運行過程鐘振動頻率為6.8 Hz，振動幅度最大為W5彎頭。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是用于確定結(jié)構(gòu)振動特性的一種方法[4]，是基于ANSYS Workbench Model模塊對進氣管路進行模態(tài)分析，確定該管系結(jié)構(gòu)的前20階模態(tài)振型。蒸汽管與儲氣罐連接處（入口A）為固定約束，與煅燒爐爐頭連接處（出口B）添加位移約束，在、方向上限制位移，方向上自由移動[5-6]。

模態(tài)分析諧振動方程為：

計算結(jié)果如表1所示，6階模態(tài)后頻率已經(jīng)遠高于蒸汽管振動頻率6.8 Hz，圖2所示為前6階模態(tài)位移云圖。3階、4階共振頻率分別為5.743 1 Hz、7.489 Hz，與進氣管振動頻率6.8 Hz非常接近。

表1 20階模態(tài)分析結(jié)果

圖2 前6階模態(tài)位移云圖

3 諧響應分析

諧響應分析可確定線性結(jié)構(gòu)承受隨時間按簡諧規(guī)律載荷時的穩(wěn)態(tài)響應，從而得出在所需頻率下的響應值（位移、應力等）對應頻率的曲線[7]，可用于計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，激勵開始時的瞬態(tài)振動不在諧響應分析的計算之中[8-10]。

諧響應分析動力學方程：

圖3a 管系在X方向上位移掃頻分析

圖3b 管系在Y方向上位移掃頻分析

圖3c 管系在Z方向上位移掃頻分析

對進氣管進行模態(tài)疊加法進行諧響應分析，忽略阻尼，引入重力加速度載荷g=9 800 mm·s-2，初相位為0，掃頻范圍為0～100 Hz，步長為2，位移結(jié)果如圖3、表2所示。1～16階共振頻率等效應力結(jié)果如表3所示，前6階等效應力云圖如圖4所示。對進氣管進行針對6.8 Hz頻率的諧響應分析，6.8 Hz頻率載荷下等效應力結(jié)果如圖5所示，最大等效應力出現(xiàn)在Weld1焊縫部位，最大等效應力為69.392 MPa。

表2 0～20 Hz振動頻率下關系在X、Y、Z方向上位移

表3 諧響應分析下1～16階共振頻率最大等效應力

圖4 前6階共振頻率下等效應力云圖

6.8 Hz下，最大等效應力出現(xiàn)在Weld1部件上。對Weld1進行單獨應力分析，應力云圖如圖6所示，Weld1焊縫部位的最大等效應力為68.392 MPa，最小等效應力為23.078 MPa。

4 結(jié)束語

1）管系Weld1部位為危險部位，長期運行將會在此位置首先發(fā)生破壞，在服役過程中應該重點關注Weld1部位的狀態(tài)變化。

圖5 管系在6.8 Hz諧響應振動下管系等效應力云圖

圖6 Weld1部位等效應力云圖

2）經(jīng)諧響應分析，Weld1部位最大等效應力為68.392 MPa，最小等效應力為23.078 MPa，最大等效應力小于管材屈服強度245 MPa，可以繼續(xù)使用，使用過程中應定期監(jiān)控Weld1部位的應力及材料性能的變化。

3）由于目前管道振動頻率為6.8 Hz，非常接近于4階共振的振動頻率，因此有必要采取措施控制煅燒爐的回轉(zhuǎn)頻率，使管道不發(fā)生共振。

[1]朱建新, 王愛民, 鄭春海, 等. 提高煅燒爐托輪軸承使用壽命的探討[J]. 純堿工業(yè), 2021 (01): 18-21.

[2]王磊, 許方潔, 董紅明, 等. 自身返堿煅燒爐爐尾返堿調(diào)節(jié)閥及爐頭結(jié)構(gòu)的改造[J]. 純堿工業(yè), 2020 (06): 30-32.

[3]任杰. 大型罐式煅燒爐筑爐施工技術研究[J]. 中國新技術新產(chǎn)品, 2020 (22): 114-116.

[4]USLU S, BAYRAKTAR M, DEMIR C, et al. Innovative computational modal analysis of a marine propeller[J]., 2021, 113：102767.

[5]王青華, 楊浩, 蔣璆, 等. 某抽水蓄能電站地下廠房模態(tài)與諧響應分析[J]. 水電與抽水蓄能, 2021, 7 (03): 48-53.

[6]邊蘊宇, 續(xù)秀忠, 霍明莉, 等. 風機散熱電機支撐系統(tǒng)模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 噪聲與振動控制, 2021, 41 (03): 77-81.

[7]LEI A, SONG C X, LEI Y L, et al. Design optimization of vehicle asynchronous motors based on fractional harmonic response analysis[J]., 2021, 12 (1)：689-700.

[8]郭金露,馬海林.基于諧響應分析某空調(diào)配管設計[J].日用電器, 2021 (03): 42-46.

[9]WAN Y. The modal and harmonic response analysis of final superheater based on workbench[J]., 2021, 675 (1)：012177.

[10]李芳,蔡家斌,邱望標,等.調(diào)心滾子軸承的諧響應分析[J].軸承, 2021 (01): 13-16.

Risk Analysis of the Intake Pipe Section of Calciner Based on Harmonic Response Analysis

,

（Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangzhou Guangdong 510700, China）

In soda production process,the heavy alkali is decomposed into soda by heating and the reaction vessel is rotary calciner.Due to the long service time of calciner roll ring and unstable platform,the intake pipe of an alkali plant vibrated with a frequency of 6.8Hz.Through the modal analysis of the intake pipe by ANSYS Workbench model module,the 1～20 order modal analysis of the intake pipe was calculated,and the third and fourth order resonance frequencies were 5.7431Hz and 7.489Hz respectively,which were very close to the intake pipe vibration frequency of 6.8Hz,and the pipeline almost reached the resonance state.The harmonic response of the intake pipe was analyzed,and the steady-state forced vibration was calculated.The vibration displacement and equivalent stress of the intake pipe in the sweep frequency range of 0～100Hz were analyzed.The maximum equivalent stress appeared at weld1 at 6.8Hz.The stress analysis of Weld1 showed that the maximum equivalent stress was 68.392MPa, the minimum equivalent stress was 23.078MPa. It was determined that the weld was dangerous. The maximum equivalent stress was less than 245MPa of pipe yield strength, So it can be used under monitoring condition. During service, the state and material properties of the weld should be focused on.

Pipe vibration; Modal analysis; Harmonic response analysis; Equivalent stress

廣州市市場監(jiān)督管理局科技項目（項目編號：2021kj20）。

2021-07-09

李星雨（1994-），男，廣東省廣州市人，碩士研究生，2019年東北石油大學油氣儲運工程，研究方向：管道完整性及工業(yè)管道檢驗。

TQ022.11

A

1004-0935（2021）10-1551-04