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城镇燃气管道的动态特性
摘 要： 管道输送被公认为是运输天然气以及其他例如油和水的商用流体最可靠、最经济和最有效的方式。管道系统象征着“生命线”，这表明他们的对于维护公共安全和人民幸福至关重要。管道传输系统是一种穿越大片地理区域线性系统，因此土壤条件易受多种危害的影响。这篇文章主要研究地下城镇燃气管道的动态特性。使用创建有限节点数量的计算机模型以模拟实际天然气管道的特性。对该模型的二十种振型采用了动态极化率法，该方法利用速度应力法筛选系统的振型，是一种精确的分析工具。它可以很容易地被识别出来，哪些模式如果被激发，会产生巨大的动态应力。本文还讨论了管道动力分析中的两个问题，即地震反应谱的影响和卡车穿越管道的时程分析。
关键词：管道振动；模型分析；动态极化率；实时变化；相应频谱；地震。
1.引言与概述
城市燃气输配系统是六大类被称为“生命线”的基础设施之一。它与电力、水和液体燃料、电信、运输和废水处理设施一起，提供了现代社区所依赖的基本服务和资源，尤其是处在一个城市环境中。因此，破坏这些生命线可能造成毁灭性的影响，短时间内会威胁生命，从长期来看可能会威胁一个区域的经济和社会稳定。管道系统通常由埋地管道、地上管线、地上泵站和储罐等设施和其他的终端设施组成。但是，管道一词一般指的是跨越距离较长的管径较大管道。
通过对压气机管道振动信号的测试，得到振动的幅值和频率，使用ANSYS软件进行计算，通过增加支架来改变管道的频率来降低振动幅值。采用有限元法对管道系统进行了数值模拟计算，进行了模态分析、协调动态分析和稳态分析，在分析管道动态振动性能的基础上，找到合理的管道结构参数，以降低管道振动，提高生产安全。分析了往复压缩机燃气管道振动，这是影响设备正常运行的一个常见问题。应用振动分析方法，对燃气管道的振动进行了探讨，分析了振动的原因，并提出了相应的阻尼措施。分析气体传输线系统的振动,流动参数的变化分析了第一个根据非稳定态流气体的管道系统,然后确定气流对管道系统的作用力,在此基础上,根据承担的压力在管道系统中,分析了振动通过强化质量方法,最后给出计算实例。
采用有限元方法分析了某天然气管道流体脉动引起的振动，考虑管道系统的复杂约束、管道系统的组成、钢结构等因素的影响。对于管道系统的振动，采用有限元法计算支撑强度，改变管道系统的支撑点和刚度，并且重复计算，直到得到最佳的减振修正版本。采用有限元建模的方法，可以充分考虑复杂支撑以及吊架的影响，并且分析输气管道系统在地震作用下的动力响应。此外还计算了管道系统的设备、弯头和三维地震引起的系统模态、系统位移和转动的响应振幅，还有地震引起的系统模态响应系数。结果表明，地震对管道系统的性能影响较大，在进行管道设计时应充分考虑地震对管道系统性能的影响。这些措施的目的是提高管道系统抗震性能。
液化土对埋地管线有剧烈的破坏，它是一个随时间变化的动态过程。将液化土体中的地下管线在地震荷载作用下简化为两端有弹性支承的简支梁模型，考虑埋地管线-土体和流体结构的相互作用，采用振型展开法对其动力响应进行了分析。讨论了不同管道和液化土参数对浮体响应的影响。计算分析了管道的动态浮动位移及其随流速、流体压力、流体密度、管段轴力、管材阻尼、液化土比重、相对弹性系数、地震加速度幅值等参数的变化规律。结果表明，动力地震反应分析方法是成功而有意义的。另外，作者考虑了New-mark和Hall的理论模型来分析铺设管道。结果表明，管道的刚度是该震区管道系统安全运行需要关注的主要方面。管道的刚度取决于管道的各种物理参数，如直径、厚度和材料性能等。
除了模态频率和模态振型外，管道模态分析还包括新的输出，即动态应力和动态敏感性。这些新的输出是基于PC机程序的模态分析方法。动态磁化率法本质上是一个后处理器，充分利用管道系统的模态分析结果[11,12]。管道设计人员既没有特定的要求，也没有分析工具和技术参考资料，而这些资料通常适用于其他工厂设备，如旋转机械。管道振动问题只有在调试和早期操作时才会变得明显，此时管道支架已经出现疲劳失效或退化。
应力/速度法的基本理论基础是振动系统的动能和势能(弹性)之间看似简单但却普遍适用的关系。简单地说，对于系统固有频率的振动，在最大速度和零位移时的动能必须以最大位移和零速度时的弹性(应变)能量形式存储。应变能和动能分别与广场的压力和速度成正比,因此,动态应力sigma;将振动速度v成正比。对于理想化的由薄壁管组成、没有内容、绝缘或集中质量直梁系统,,比sigma;/ v是主要依靠材料特性(密度rho;和弹性模量E),与系统尺寸、固有模态数和振动频率无显著关系。当然，对于真正的连续系统，动能和势能按照各自的模式形状分布在结构上。 只要空间分布足够相似，即调和函数。 许多程序已经开发，以确保可靠性和工厂安全方面的振动，同时最小化成本和延迟时间。
在设计阶段，动态敏感性方法可以使设计人员快速识别和修正可能导致大动应力的特征。该方法为观测、测量、评估、诊断和校正工作提供了快速而有效的支持此外，它揭示了系统布局和支撑的哪些特征是导致大动态应力敏感性的原因。动态应力是在固有模态下与振动有关的动态弯曲应力。任何模态的动态磁化率都是最大交变弯曲应力与最大振动速度之比。工厂设备动力学公司的R. T. Hartlen博士发展应力/速度法筛选管道系统模式，并且引起了SST系统公司的注意。
埋地燃气管道结构在受到荷载或位移作用时，会发生动态行为。静载荷分析可以证明如果载荷或位移的作用非常缓慢，那么惯性力可以忽略。因此，动态分析是静态分析的简单扩展。本文考虑了两种类型的振动激励，即通过地震反应谱分析地震的影响和汽车穿越煤气管道的时程分析。
2.方法的基本基础
2.1．动能和势能;振动速度和动态应力
应力/速度法的基本理论基础是振动系统动能和势能（弹性）之间看似简单但普遍适用的关系。简单地说，对于系统固有频率下的振动，最大速度和零位移时的动能必须存储为最大位移和零速度时的弹性（应变）能。由于应变能和动能分别与应力和速度的平方成正比，因此动应力与振动速度v成正比。对于理想化的直梁系统，由薄壁管组成，不含任何物质、绝缘层或集中质量，比值sigma;/v主要取决于材料特性（密度rho;和模量E），并且与系统的具体尺寸、固有模态数和振动频率显著无关。
当然，对于真实的连续系统，动能和势能是按照各自的模态分布在结构上的。然而，在整个结构上，潜在的能量平等是成立的。假设空间分布足够相似，即调和函数、均方根或最大应力仍然与均方根或最大振动速度直接相关。
2.2. “筛选”的方法
如上所述，对于理想化的纯梁系统，应力速度比将主要取决于材料特性。对于实际系统，振型的空间分布将偏离理想的调和函数，应力速度比相应地增加到理论最小值或基线值以上。导致比率增加的系统细节包括三维布局、大的无支撑质量、薄壁管道中的高密度物质、易受影响的支管连接、横截面变化等。系统布局和细节越“不利”，某些模式的sigma;/v比率越大。
因此，可以通过确定任何模式的sigma;/v比超过基线范围的程度来评估系统对大动态应力的总体敏感性。此外，通过确定哪些特定的模态具有较高的比例，以及这些模态是否已知或可能被激发，识别出危险的振动频率和模态振型，以供进一步评估和注意。这是应力/速度分析方法的基础，并将其实现为中的“动态磁化率”特征。
2.3与基于速度的振动验收标准的关系
根据振动速度作为记录数量，有各种通用和应用特定的验收标准。有些为了覆盖最坏的情况，对许多系统来说过于保守。另一些则被认为只适用于简单梁的第一种模态，导致了应力/速度关系根本不适用于更高模态的误解。在任何情况下，使用基于单一振动速度值的筛分验收标准都存在实际和可察觉的限制。
动态磁化率法将这种明显的局限性变成了一种有用的分析工具!具体来说，大的应力/速度比，远远高于基线值，被认为是一个“警告标志”。较大的数值表明，系统的某些特性使其在特定的模态下特别容易受到较大的动态应力的影响。
2.4动态磁化率法是做什么的?
2.4.1 一般方法
动态磁化率法本质上是一个充分利用系统模态分析结果的后处理方法。搜索了动态弯曲应力和振动速度的模态表，求出了它们各自的最大值。用最大应力除以最大速度，就得到每种模式的“sigma; /v”。该比值是评估大动应力敏感性的基础。较大的值表示与系统的特定细节相关的更高的敏感性。
2.4.2在CAEPIPE中的具体措施
应力/速度法已被实现为附加分析和CAEPIPE模态分析的输出。模态分析负载情况现在包括额外的输出和功能如下:
动态应力：该输出提供了动态弯曲应力的“振型”，与振动幅度的常规振型一起制成表格。
动态敏感性：该输出为s/v比表，单位为psi/ips，逐模式，按降序排列。除了模态频率和s/v比外，该表还包括振动振幅和弯曲应力最大值的节点位置。
在选择动态磁化率输出的情况下，振型的动态图形显示包括了附加的彩色斑点标记的特征，显示了最大振动和最大动态弯曲应力的位置。这些输出将帮助设计者更全面地了解系统的动态特性。它们提供了关于组件、布局和支持的具体细节如何产生大的动态应力以及如何进行改进的精辟的量化洞。
2.4.3动态磁化率没有直接涉及什么？
应力/速度评估方法及其在CAEPIPE中作为动态敏感性的实现完全基于系统本身的动态特性。因此，在分析中使用的振动速度和动态应力虽然直接相关，但具有任意大小。没有对规定的强迫函数的响应进行计算，也没有尝试计算实际的动态应力。因此，动态敏感性结果并不直接考虑通过-失败代码的遵从性。相反，如果有必要，它们可以帮助设计者评估和减少对大的动态应力的敏感性，以满足所指定的任何要求。
3.管道模型的建立
3.1管道模型描述
该模型是基于一个实际的管道，用于传输天然气到三个建筑物。该模型是利用CAEPIPE软件包建立的。本软件执行的结构分析符合标准管道规范ASME B31.3(压力工艺管道规范)。图1-2显示了模型的组成部分和尺寸。该模型由12个元件组成，1个锚杆，4个阀门，2个焊接三通，4个弯头，1个减速器。节点的编号从10到120。管道有两段S1(外径63 mm，壁厚7 mm)和S2(外径32 mm，壁厚4 mm)。管道材质为不锈钢(A53级A级)，密度7833 kg/m3。
图1管道模型的组件
图2 管道模型的节点数和长度
模型为埋地管道模型。地面层，即土壤表面高度在管道上方1米。土壤为无凝聚力类型，密度为1922 kg/m3。土体与管道之间的摩擦角(delta)为20度，水平土应力系数(Ks)为0.3。假设所有的配件和管道部件(锚、阀门、三通、弯头和减速器)都与管道材质相同(SS A53 A级)。假设管道的三个端分别固定在节点60、80和120上。
节点是指管道、减速器、阀门等元件之间的连接点。节点都有具体的编号。对于弯曲节点，节点号后面跟一个字母，如A/B.A和B节点(例如， 110A, 110B)指定弯曲节点的近端和远端。节点数为切线交点(顶点)的位置;它的物理位置并不在拐弯处。它的目的只是定义弯曲。土的建模是基于无限密距弹性弹簧的Winkler土模型。对荷载中的压力值进行了适当的修正，以考虑静态覆土的影响。
3.2流水线模型组件
锚是一种用于限制节点在三个平移和三个旋转方向（或自由度；每个方向都是一个自由度）中移动的支撑。在管道系统中，该节点可以位于锚块或基础上，或者管道系统连接到墙壁或大型设备如泵的位置。管道弯头是指所有的弯头和弯管。从几何学上讲，弯管是一个弯曲的管段，它与管道的运行方向成一个角度（通常为90°）。异径管改变了直管段的直径。阀门用于控制流经管道的流体流动。阀门可用于阻塞流量、节流流量或防止流量倒流。
4.管道振动的分析步骤
关键的分析步骤是一个模式一个模式地确定最大动应力与最大振动速度之比。这一比率将位于一个较低的基线范围内的简单系统，如经典的均匀梁配置。对于更复杂的系统，由于典型的复杂性，如三维布局、离散的重质量、截面的变化和敏感的分支连接，应力/速度比会增加。应力-速度比较大的系统模式是潜在的敏感模式。在CAEPIPE中实现的应力/速度法作为动态磁化率特征，能够自动、快速地找到这些模式并量化磁化率。对结果的评估有助于确定布局和支撑的哪些细节是造成大应力的原因。系统的通用易感性大动态应力可以通过确定评估的程度的sigma;/ v比率模式超过基线范围。此外，通过确定哪些特定的模态具有较高的比例，以及这些模态是否已知或可能被激发，识别出危险的振动频率和模态振型，以供进一步评估和注意。这是应力/速度分析方法的基础，也是CAEPIPE动态磁化率分析方法实现的基础动态应力表(如表3)提供了系统周围的动态应力分布，即实际上，动态应力的振型与常规振型是一致的。这一信息允许识别系统的其他部分，如果有的话，动态应力可与识别的最大值相比较。有两种主要的分析类型，第一种是概念化的，在这种结构还不存在的情况下，分析人员被给予合理的余地来定义几何形状、材料、载荷等等；第二个分析是该结构存在的地方，必须分析的正是这种特殊结构。我们的管道模型分析属于第二种类型。
5. 模态强迫振动
在以下情况下，对管道模型进行了时间历程和响应谱分析。时程力是时间在所有方向变化(弯曲/三通)的函数。这些单独的力-时程记录作为时变载荷分别应用于管道模型中相应节点的CAEPIPE中。时间函数描述了力函数随时间的变化。利用反应谱技术对地震效应进行了研究。
5.1 .地震激发的反应谱
近年来，埋地管道的地震安全性引起了广泛的关注。地下管线的重要特点是覆盖面积大，易受多种大地构造灾害的影响。地下管线与地上构筑物和设施不同的另
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