基于谐响应分析的煅烧炉进气管段风险性分析

李星雨，周杨飞

工艺与装备

基于谐响应分析的煅烧炉进气管段风险性分析

李星雨，周杨飞

（广州特种承压设备检测研究院 广东 广州 510700）

制碱工艺需通过加热将重碱分解为纯碱，反应容器为回转煅烧炉。某制碱企业因煅烧炉滚圈服役时间过长及平台不平稳等因素导致其进气管出现振动现象，振动频率6.8 Hz。通过ANSYS Workbench Model模块对进气管进行模态分析，计算进气管1～20阶模态分析，得出3阶、4阶共振频率分别为5.743 1 Hz、7.489 Hz，与进气管振动频率6.8 Hz非常接近，管路近乎达到共振状态。对进气管进行谐响应分析，计算其稳态受迫振动，分析进气管在扫频0～100 Hz范围内的振动位移及等效应力，6.8 Hz下最大等效应力出现在焊缝Weld1位置上，对Weld1焊缝进行应力分析，最大等效应力为68.392 MPa，最小等效应力为23.078 MPa，确定Weld1焊缝为危险部位，最大等效应力小于管材屈服强度245 MPa，可以在监控状态下继续使用，服役过程中应重点关注该部位的状态及材料性能变化。

管道振动； 模态分析； 谐响应分析； 等效应力

制碱工艺中有一环节为重碱，通过加热将重碱分解为纯碱，这一反应的主要容器为回转蒸汽煅烧炉[1]，是一种大型卧式回转机械，由炉体、进碱、出碱、加热及传动装置等部分组成。炉体前后设有两个滚圈支撑炉体同时提供旋转动力[2]。炉内有呈同心圆排列的加热管，管内通过热蒸汽为反应提供温度条件，蒸汽由外部蒸汽发生器通过进气管输送[3]。某制碱企业煅烧炉由于滚圈服役时间较长及平台平稳度不足等因素，导致煅烧炉进气管出现振动现象，其中进口处与炉头法兰连接，管路末端与蒸汽储罐相连，管道走向如图1所示。弯头处振动最为剧烈，整体呈现低频较高振幅振动。

1 工程概况

煅烧炉蒸汽进气管如图1所示，右侧A处与储气罐相连，蒸汽从储气罐经A口流入管道，为固定刚性连接，左侧上方B处为出口，与煅烧炉炉头相连，蒸汽经B口流入煅烧炉，由于管道振动由于煅烧炉偏心引起，因此B出口可在垂直地面方向上自由移动，在水平方向位移受限。T位置为对应管道中点处，设置吊架，由于服役时间过长，吊架发生脱离，失去了对管道的固定和位移限制作用。蒸汽进气管采用氩弧焊环焊缝焊接方式，管材为20#合金钢，管道外径为219 mm，壁厚为10 mm，运行过程钟振动频率为6.8 Hz，振动幅度最大为W5弯头。

2 模态分析

模态分析是用于确定结构振动特性的一种方法[4]，是基于ANSYS Workbench Model模块对进气管路进行模态分析，确定该管系结构的前20阶模态振型。蒸汽管与储气罐连接处（入口A）为固定约束，与煅烧炉炉头连接处（出口B）添加位移约束，在、方向上限制位移，方向上自由移动[5-6]。

模态分析谐振动方程为：

计算结果如表1所示，6阶模态后频率已经远高于蒸汽管振动频率6.8 Hz，图2所示为前6阶模态位移云图。3阶、4阶共振频率分别为5.743 1 Hz、7.489 Hz，与进气管振动频率6.8 Hz非常接近。

表1 20阶模态分析结果

图2 前6阶模态位移云图

3 谐响应分析

谐响应分析可确定线性结构承受随时间按简谐规律载荷时的稳态响应，从而得出在所需频率下的响应值（位移、应力等）对应频率的曲线[7]，可用于计算结构的稳态受迫振动，激励开始时的瞬态振动不在谐响应分析的计算之中[8-10]。

谐响应分析动力学方程：

图3a 管系在X方向上位移扫频分析

图3b 管系在Y方向上位移扫频分析

图3c 管系在Z方向上位移扫频分析

对进气管进行模态叠加法进行谐响应分析，忽略阻尼，引入重力加速度载荷g=9 800 mm·s-2，初相位为0，扫频范围为0～100 Hz，步长为2，位移结果如图3、表2所示。1～16阶共振频率等效应力结果如表3所示，前6阶等效应力云图如图4所示。对进气管进行针对6.8 Hz频率的谐响应分析，6.8 Hz频率载荷下等效应力结果如图5所示，最大等效应力出现在Weld1焊缝部位，最大等效应力为69.392 MPa。

表2 0～20 Hz振动频率下关系在X、Y、Z方向上位移

表3 谐响应分析下1～16阶共振频率最大等效应力

图4 前6阶共振频率下等效应力云图

6.8 Hz下，最大等效应力出现在Weld1部件上。对Weld1进行单独应力分析，应力云图如图6所示，Weld1焊缝部位的最大等效应力为68.392 MPa，最小等效应力为23.078 MPa。

4 结束语

1）管系Weld1部位为危险部位，长期运行将会在此位置首先发生破坏，在服役过程中应该重点关注Weld1部位的状态变化。

图5 管系在6.8 Hz谐响应振动下管系等效应力云图

图6 Weld1部位等效应力云图

2）经谐响应分析，Weld1部位最大等效应力为68.392 MPa，最小等效应力为23.078 MPa，最大等效应力小于管材屈服强度245 MPa，可以继续使用，使用过程中应定期监控Weld1部位的应力及材料性能的变化。

3）由于目前管道振动频率为6.8 Hz，非常接近于4阶共振的振动频率，因此有必要采取措施控制煅烧炉的回转频率，使管道不发生共振。

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

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（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

广州市市场监督管理局科技项目（项目编号：2021kj20）。

2021-07-09

李星雨（1994-），男，广东省广州市人，硕士研究生，2019年东北石油大学油气储运工程，研究方向：管道完整性及工业管道检验。

TQ022.11

A

1004-0935（2021）10-1551-04