高亞坤，靖紅順，張生樂(lè)，彭利國(guó)

(武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，武漢 430060)

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船舶蒸汽系統(tǒng)管路振動(dòng)試驗(yàn)及分析

高亞坤，靖紅順，張生樂(lè)，彭利國(guó)

(武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，武漢 430060)

為了進(jìn)行蒸汽系統(tǒng)管路在不同安裝工藝狀態(tài)下的振動(dòng)噪聲特性研究，建立蒸汽系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，采用LMS振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量二相流蒸汽管路的振動(dòng)噪聲，分析了彈性支吊架、閥門(mén)、撓性接管等分別安裝于蒸汽系統(tǒng)管路的不同位置時(shí)，評(píng)價(jià)點(diǎn)在不同蒸汽流量和壓力下的振動(dòng)特性。結(jié)果表明，相同條件下，評(píng)價(jià)點(diǎn)振級(jí)大小與蒸汽流量呈正相關(guān)關(guān)系，而彈性吊架的不同布置方式對(duì)評(píng)價(jià)點(diǎn)振級(jí)的影響不盡相同，在安裝時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在合理范圍內(nèi)選取最佳的安裝狀態(tài)。閥門(mén)出口處振級(jí)隨閥門(mén)與三通距離的增大呈下降趨勢(shì)，安裝時(shí)應(yīng)在合理范圍內(nèi)使閥門(mén)盡量遠(yuǎn)離三通。

蒸汽管路；振動(dòng)測(cè)試；彈性吊架；閥門(mén)；撓性接管

在管路系統(tǒng)中，管道元器件和流體的流動(dòng)特性是引起振動(dòng)和噪聲的主要原因。管路中元器件的空間布置方式會(huì)影響管路中流體的流動(dòng)特性，進(jìn)而形成流噪聲。相較其他系統(tǒng)，蒸汽管路系統(tǒng)的流體介質(zhì)高溫、高壓、具有汽液二相性，其聲學(xué)性能受系統(tǒng)安裝工藝參數(shù)的影響更為突出,因此，需要對(duì)蒸汽管路系統(tǒng)的布置工藝和蒸汽管路各元器件的布置方式對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響進(jìn)行試驗(yàn)分析，找出其影響規(guī)律，提高蒸汽管路系統(tǒng)的安裝工藝水平和聲學(xué)性能[1-4]。

目前國(guó)內(nèi)已有的管路振動(dòng)的相關(guān)研究主要針對(duì)風(fēng)管路、液體管路的振動(dòng)特性開(kāi)展，或針對(duì)管路中的某一元器件對(duì)管路振動(dòng)的影響進(jìn)行仿真分析或試驗(yàn)研究[5-8]，但是針對(duì)蒸汽管路的振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究較少，可參考的文獻(xiàn)不多。為此，考慮結(jié)合已有的研究思路和實(shí)船蒸汽管路布置情況，通過(guò)建立蒸汽系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，開(kāi)展管路的多個(gè)元器件(撓性接管、彈性吊架、閥門(mén)等)安裝工藝要素對(duì)系統(tǒng)聲學(xué)性能影響測(cè)試研究，得到不同安裝狀態(tài)時(shí)管路元器件，如彈性吊架、撓性接管、閥門(mén)等的安裝工藝狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲性能的影響，使管路振動(dòng)試驗(yàn)的影響因素更加全面,更好模擬實(shí)船的管路工作狀態(tài)。

1 試驗(yàn)組成及方案

試驗(yàn)以某型船舶管系為背景，取蒸汽管路系統(tǒng)中DN100和DN40 2管路建立試驗(yàn)臺(tái)架，包含蒸汽管路專(zhuān)用撓性接管、彈性吊架等隔振元器件(見(jiàn)圖1)，同時(shí)根據(jù)工藝參數(shù)測(cè)試需要配置閥門(mén)、流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力表等控制顯示元器件，利用LMS測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲情況進(jìn)行測(cè)量。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布置示意

測(cè)量系統(tǒng)由加速度傳感器、噪聲振動(dòng)分析系統(tǒng)組成，傳感器選用高溫加速度傳感器和常溫加速度傳感器。在彈性吊架管壁處和根部分別布置高溫傳感器和常溫傳感器，測(cè)量方向均垂直于剛性平臺(tái)，在閥門(mén)及撓性接管前后相連管路法蘭上布置高溫傳感器，測(cè)量方向?yàn)楣苈份S向和徑向2個(gè)方向[9-10]。測(cè)試系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理

測(cè)試之前關(guān)閉所有閥門(mén)，布置測(cè)點(diǎn)，調(diào)試振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。準(zhǔn)備工作完成之后打開(kāi)鍋爐，待總管壓力升至試驗(yàn)所需壓力左右時(shí)打開(kāi)試驗(yàn)段總閥，調(diào)節(jié)支管段閥門(mén)并流量表和壓力表數(shù)值變化，直至流量和壓力達(dá)到試驗(yàn)工況要求，方可進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)蒸汽管路安裝工藝對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲影響的分析，利用試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行以下試驗(yàn)。

1)彈性吊架不同布置工況的噪聲影響試驗(yàn)。

2)閥門(mén)不同布置位置的噪聲影響試驗(yàn)。

3)撓性接管不同布置位置的噪聲影響試驗(yàn)。

為提高試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)船情況的一致性，根據(jù)實(shí)船蒸汽管路系統(tǒng)的工作條件確定試驗(yàn)條件，見(jiàn)表1。

表1 管路蒸汽量和壓力工況

2.2 數(shù)據(jù)處理

(5)

式中：a0為振動(dòng)加速度級(jí)基準(zhǔn)，取a0=10-6m/s2。

選擇振動(dòng)加速度測(cè)量范圍為10 Hz～10 kHz。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 彈性吊架不同布置工況的噪聲影響試驗(yàn)

選取DN40和DN100 2個(gè)支管路作為研究對(duì)象(2個(gè)支管路上截止閥處于開(kāi)啟狀態(tài))，在表1中不同蒸汽流量和壓力狀態(tài)下，測(cè)量2個(gè)支管路系統(tǒng)在4種不同吊架(支撐)布置間距時(shí)，撓性接管兩端法蘭處2個(gè)方向(軸向和徑向)振動(dòng)加速度及彈性吊架(彈性支撐)處管壁上和吊架根部(吊架和剛性平臺(tái)連接處)垂直于剛性平臺(tái)方向振動(dòng)加速度。不同工況下彈性吊架間距見(jiàn)表2。

表2 彈性吊架不同布置間距

以彈性吊架根部平均振級(jí)為對(duì)象最終評(píng)價(jià)彈性吊架不同布置間距的影響，不同蒸汽流量時(shí)彈性吊架不同布置工況的評(píng)價(jià)點(diǎn)平均振級(jí)對(duì)比見(jiàn)圖3～4。

圖3 DN100支管路評(píng)價(jià)點(diǎn)平均振級(jí)變化

圖4 DN40支管路評(píng)價(jià)點(diǎn)平均振級(jí)變化

由圖3～4可見(jiàn)，在不同的彈性吊架布置工況下，隨著支管路吊架間距的縮小，DN100支管路評(píng)價(jià)點(diǎn)振級(jí)呈下降趨勢(shì)，DN40支管路評(píng)價(jià)點(diǎn)振級(jí)呈上升趨勢(shì)，且主要集中在55～70 dB之間。在不同的蒸汽流量下，評(píng)價(jià)點(diǎn)振級(jí)也相應(yīng)的發(fā)生變化，隨著蒸汽流量的減小，2種管路的評(píng)價(jià)點(diǎn)振級(jí)均呈下降趨勢(shì)，即振級(jí)與流量呈正相關(guān)關(guān)系，流量越大，振級(jí)越大。

3.2 閥門(mén)不同布置位置的噪聲影響試驗(yàn)

選取DN100支管路作為研究對(duì)象(2個(gè)支管路上截止閥處于開(kāi)啟狀態(tài))，分別改變DN100截止閥與三通距離為1d、3d、5d和10d(d為DN100截止閥所在支管路的直徑)時(shí)，在表1中不同蒸汽流量和壓力狀態(tài)下，測(cè)量DN40和DN100 2個(gè)支管路上截止閥兩端法蘭處2個(gè)方向(軸向和徑向)振動(dòng)加速度，撓性接管兩端法蘭處2個(gè)方向(軸向和徑向)振動(dòng)加速度，以及彈性吊架(彈性支撐)處管壁上和吊架根部(吊架和剛性平臺(tái)連接處)垂直于剛性平臺(tái)方向振動(dòng)加速度。

以閥門(mén)所在DN100支管路彈性吊架以及閥門(mén)出口振級(jí)為評(píng)價(jià)對(duì)象，得出不同的閥門(mén)布置位置時(shí)，各彈性吊架及閥門(mén)出口處在不同蒸汽流量下的振動(dòng)特性，對(duì)比見(jiàn)圖5～8。

圖5 彈性吊架1根部振動(dòng)加速度級(jí)變化

圖6 彈性吊架2根部振動(dòng)加速度級(jí)變化

圖7 彈性吊架3根部振動(dòng)加速度級(jí)變化

圖8 DN100截止閥出口處振動(dòng)加速度級(jí)變化

由圖5～8可見(jiàn)，當(dāng)閥門(mén)距三通不同的安裝距離時(shí)，各彈性吊架根部振級(jí)的變化趨勢(shì)基本相同。各流量工況下，DN100截止閥出口處振級(jí)隨閥門(mén)距三通距離的增大呈下降趨勢(shì)，主要在65～85 dB之間。總體來(lái)看，隨著蒸汽流量的減小，彈性吊架根部及閥門(mén)出口處的振級(jí)緩慢減小，即各測(cè)點(diǎn)振級(jí)與流量大小呈正相關(guān)關(guān)系，流量越大，振級(jí)越大。

3.3 撓性接管不同布置位置的噪聲影響試驗(yàn)

選取DN40支管路作為研究對(duì)象(2個(gè)支管路上截止閥處于開(kāi)啟狀態(tài))，分別改變DN40撓性接管與三通距離為1d、3d、5d和10d時(shí)，在表1中不同蒸汽流量和壓力狀態(tài)下，測(cè)量DN40和DN100 2個(gè)支管路上截止閥兩端法蘭處2個(gè)方向(軸向和徑向)振動(dòng)加速度，撓性接管2端法蘭處2個(gè)方向(軸向和徑向)振動(dòng)加速度，以及彈性吊架(彈性支撐)處管壁上和吊架根部(吊架和剛性平臺(tái)連接處)垂直于剛性平臺(tái)方向振動(dòng)加速度。

以撓性接管所在支管路彈性吊架以及撓性接管出口振級(jí)為評(píng)價(jià)對(duì)象，得出不同流量下?lián)闲越庸懿煌贾梦恢脮r(shí)，彈性吊架根部及撓性接管出口處的振動(dòng)特性，對(duì)比見(jiàn)圖9～11。

圖9 彈性吊架4根部振動(dòng)加速度級(jí)變化

圖10 彈性吊架5根部振動(dòng)加速度級(jí)變化

圖11 撓性接管出口處振動(dòng)加速度級(jí)變化

由圖9～11可見(jiàn)，在距離三通1d～10d變化時(shí)，彈性吊架根部振級(jí)基本呈上升趨勢(shì)，且主要及賬號(hào)在55～65 dB之間；撓性接管出口振級(jí)，在距離三通1d時(shí)最大且均大于70 dB，3d～10d差別不大，且主要集中在60～75 dB之間。在不同的蒸汽流量下，各測(cè)點(diǎn)振級(jí)隨流量的減小而減小，但總體變化較小。

1)各測(cè)點(diǎn)振級(jí)大小基本與流量大小呈正相關(guān)關(guān)系，即流量越大、振級(jí)越大。

2)在距離三通1d～10d變化時(shí)彈性吊架根部振級(jí)基本呈上升趨勢(shì)。

3)撓性接管出口振級(jí)基本上在距離三通1d時(shí)最大，3d～10d差別不大。

4 結(jié)論

1)在不同的管路元器件安裝位置下，各評(píng)價(jià)點(diǎn)振級(jí)大小均與蒸汽流量呈正相關(guān)關(guān)系，流量越大，振級(jí)越大。

2)不同直徑的支管路上，彈性吊架的布置位置對(duì)評(píng)價(jià)點(diǎn)的振級(jí)影響不同，在實(shí)際安裝時(shí)，應(yīng)根據(jù)管徑合理確定彈性吊架的位置，以保證良好的聲學(xué)狀態(tài)。

3)不同的蒸汽流量下，閥門(mén)出口處振級(jí)隨閥門(mén)距三通距離的增大呈下降趨勢(shì)，應(yīng)在合理范圍內(nèi)使閥門(mén)盡量遠(yuǎn)離三通。

4)撓性接管出口處振級(jí)在距離三通1d時(shí)最大，其他距離的差別不大，因此在安裝時(shí)應(yīng)盡量使撓性接管距三通的距離避開(kāi)1d。

本文試驗(yàn)所用的蒸汽管路系統(tǒng)以某型船蒸汽管路系統(tǒng)為背景建立，盡管介質(zhì)流量、溫度、壓力和實(shí)船特征參數(shù)一致，但管路走向和布置僅以實(shí)船系統(tǒng)局部管路作為參考，系統(tǒng)介質(zhì)進(jìn)出口邊界條件與實(shí)船有差別，且彈性吊架的布置位置、固定基礎(chǔ)剛度均未能模擬實(shí)船，因此，本文旨在尋求蒸汽系統(tǒng)管路安裝工藝與系統(tǒng)振動(dòng)的大致規(guī)律，下一步可開(kāi)展實(shí)船試驗(yàn)對(duì)此規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證。

[1] 柯兵,周進(jìn)華.低噪聲管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2006(增刊2):117-120.

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Experimental Analysis on Vibration of Ship’s Steam Pipeline System

GAO Ya-kun, JING Hong-shun, ZHANG Sheng-le, PENG Li-guo

(Wuchang Shipbuilding Industry Group Co., Ltd., Wuhan 430060, China)

In order to find out the vibration and noise characteristics of steam pipeline system inducing by the installing status of piping components (flexible hanger, valve, flexible connector). A steam system bench was built, the vibration and noise case of 2-phase flow pipeline was measured by LMS to analyzed the vibration characteristic of evaluative point in different steam flow and compressive force as flexible hanger, valve, flexible connector installed at different position. The results showed that in same condition, the vibration acceleration level of evaluation points is positive correlated with steam flow; the layout state of the flexibility hanger has a different impact on the vibration acceleration level of evaluation points, the optimum fixing state should be select in reasonable range according to actual state. The vibration acceleration level on valve’s outlet is negative correlated with the distance between valve and tee joint, the valve should keep off the tee joint in reasonable range when fixing.

steam pipe; vibration test; flexible hanger; valve; flexible connector

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.014

2016-09-29

高亞坤(1987—)，女，碩士，工程師

研究方向：艦船減振降噪

U661.44

A

1671-7953(2017)04-0065-04

修回日期：2016-12-27