VDI 3842-2004 Vibrations in piping systems.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEURESchwingungenin RohrleitungssystemenVibrations in piping systemsVDI 3842Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch SchwingungstechnikVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available from Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Ve

2、rein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 17.160Juni 2004June 2004The German version of this guideline shall be taken as authori

3、ta-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Zweck und Anwendungsbereich. . . . . . . . 42 Mitgeltende Normen und Richtlinien . . . . . 53 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Schwingungsphnomene

4、 . . . . . . . . . . . 104.1 bersicht . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Schwingungen infolge von stationrer Rohrstrmung . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2.1 Durchstrmte Rohre undFormstcke (Turbulenz) . . . . . . . 104.2.2 Angestrmte Rohre, Rohrbndel und Einbauten (Wirbelablsung). . . 114.2.3

5、Armaturen . . . . . . . . . . . . . . 114.3 Schwingungen infolge von Drucksten und Flssigkeitsschlgen . . . . . . . . . . 114.4 Schwingungen infolge von Druckpulsationen . . . . . . . . . . . . . . 124.5 Schwingungen infolge von Fremderregungen . . . . . . . . . . . . . . 125 Schwingungsberechnungen

6、 . . . . . . . . . . 135.1 Beschreibung der Erregungen. . . . . . . . 135.1.1 Stationre Rohrstrmung. . . . . . . 135.1.2 Druckste und Flssigkeitsschlge . 145.1.3 Druckpulsationen. . . . . . . . . . . 165.1.4 Fremderregungen. . . . . . . . . . . 175.2 Fluiddynamische Berechnungen . . . . . . 205.2.1

7、Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . 205.2.2 Modellbildung . . . . . . . . . . . . 225.2.3 Rechenverfahren . . . . . . . . . . . 235.2.4 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . 245.2.5 bergabe der Fluidkrfte an das Programm zur Strukturanalyse . . . . 245.3 Strukturdynamische Berechnungen . . . . .

8、 275.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . 275.3.2 Modellbildung . . . . . . . . . . . . 29Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . 3 1Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Associated standards and guidelines . . . . 53Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . .

9、. . . 74 Vibration phenomena . . . . . . . . . . . . . 104.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Vibrations resulting from steady-state pipeflow . . . . . . . . . . . . . . . 104.2.1 Pipes and fittings withthroughflow (turbulence) . . . . . . 104.2.2 Immersed pipes, pipe boundles andinterna

10、ls (vortex shedding). . . . . . 114.2.3 Valves . . . . . . . . . . . . . . . 114.3 Vibrations resulting from pressure surgesand water hammers . . . . . . . . . . . . . 114.4 Vibrations resulting from pressurepulsations . . . . . . . . . . . . . . . 124.5 Vibrations resulting from externalexcitations

11、 . . . . . . . . . . . . . . . 125 Vibration calculations . . . . . . . . . . . . . 135.1 Description of types of excitation . . . . . 135.1.1 Steady-state pipe flow . . . . . . . . 135.1.2 Pressure surges and water hammers . 145.1.3 Pressure pulsations . . . . . . . . . . 165.1.4 External excitatio

12、ns . . . . . . . . . 175.2 Fluid-dynamics calculations . . . . . . . . 205.2.1 Basic principles . . . . . . . . . . . 205.2.2 Modelling . . . . . . . . . . . . . . 225.2.3 Calculating methods . . . . . . . . . 235.2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . 245.2.5 Transfer of fluid forces tostructura

13、l analysis program . . . . . 245.3 Structural dynamics calculations . . . . . . 275.3.1 Basic principles . . . . . . . . . . . 275.3.2 Modelling . . . . . . . . . . . . . . 29VDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion VertriebFachausschuss Schwingungen in RohrleitungssystemenFrhere Ausgabe: 9.02 Entw

14、urf,deutschFormer edition: 9/02 draft, in German onlyB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 2 VDI 3842Seite5.3.2.1 Grundstze . . . . . . . . . 295.3.2.2 Balkenmodelle . . . . . . . 315.3.2.3 Allgemeine FEM-M

15、odelle . 355.3.3 Dmpfung . . . . . . . . . . . . . . 355.3.4 Rechenverfahren . . . . . . . . . . . 365.3.4.1 bersicht . . . . . . . . . . 365.3.4.2 Bewegungsgleichung und Eigenschwingungen. . . . . 375.3.4.3 Modales Zeitablauf-verfahren . . . . . . . . . . 385.3.4.4 Berechnung im Frequenz-bereich (F

16、requenzgang-verfahren) . . . . . . . . . . 395.3.4.5 Antwort-Spektrum-Ver-fahren . . . . . . . . . . . . 405.3.4.6 Direkte Numerische Integration. . . . . . . . . . 425.3.4.7 Ersatzverfahren . . . . . . . 425.3.4.8 Bercksichtigung von Modellunschrfen (Frequenzshift“) . . . . . . 425.3.5 Einflsse von

17、 Nichtlinearitten:Lagerspiel und Lagerreibung . . . . 435.3.5.1 bersicht . . . . . . . . . . 435.3.5.2 Lagerspiel und freie Schwingungen . . . . . . . 435.3.5.3 Lagerreibung und freieSchwingungen . . . . . . . 445.3.5.4 Progressive Federkennlinieund harmonisch erzwungeneSchwingungen . . . . . . . 45

18、5.4 Rechenprogramme . . . . . . . . . . . . . 476 Schwingungsmessungen . . . . . . . . . . . 486.1 Fluiddynamische Messungen. . . . . . . . 486.1.1 Messaufgaben, Messgren . . . . . 486.1.2 Druckaufnehmer (Sensoren) . . . . . 496.1.3 Messstellenplan und Applikation . . 496.2 Strukturdynamische Messun

19、gen . . . . . . 506.2.1 Messaufgaben, Messgren . . . . . 506.2.2 Schwingungsaufnehmer(Sensoren) . . . . . . . . . . . . . . 536.2.3 Messstellenplan und Applikation . . 546.3 Auswerteverfahren, Ergebnisse. . . . . . . 556.4 Messbericht . . . . . . . . . . . . . . . 556.5 Vergleich der Ergebnisse aus

20、Versuch undAnalyse Technische Diagnostik . . . . . 577 Schwingungsbewertung . . . . . . . . . . . . 587.1 bersicht . . . . . . . . . . . . . . . 587.2 Globale Beurteilung . . . . . . . . . . . . 58Page5.3.2.1 Basic principles. . . . . . . 295.3.2.2 Beam models . . . . . . . . 315.3.2.3 General FEM m

21、odels . . . . 355.3.3 Damping . . . . . . . . . . . . . . . 355.3.4 Calculating methods. . . . . . . . . 365.3.4.1 Overview . . . . . . . . . . 5.3.4.2 Equation of motion andnatural vibrations . . . . . . 375.3.4.3 Time-history modalanalysis . . . . . . . . . . . 385.3.4.4 Calculation in the frequen

22、cyrange (frequency-responsemethod) . . . . . . . . . . . 395.3.4.5 Response-spectrum modalanalysis . . . . . . . . . . . 405.3.4.6 Direct numericalintegration . . . . . . . . . 425.3.4.7 Substitution methods . . . . 425.3.4.8 Taking model uncertaintiesinto account(”frequency shift“) . . . . . 425.3.

23、5 Influences of non-linearities:gaps and friction in supportconstructions. . . . . . . . . . . . . 435.3.5.1 Overview . . . . . . . . . . 435.3.5.2 Gaps and free vibrations . . 435.3.5.3 Friction and freevibrations . . . . . . . . . . 445.3.5.4 Progressive spring characteri-stic and harmonically for

24、cedvibrations . . . . . . . . . 455.4 Programs . . . . . . . . . . . . . . . 476 Vibration measurements . . . . . . . . . . . 486.1 Fluid-dynamics measurements . . . . . . 486.1.1 Measuring tasks and measuredvariables . . . . . . . . . . . . . . . 486.1.2 Pressure pick-up devices (sensors) . 496.1.3

25、 Measuring points plan andapplication . . . . . . . . . . . . . . 496.2 Structural dynamics measurements . . . . 506.2.1 Measuring tasks and measuredvariables . . . . . . . . . . . . . . . 506.2.2 Vibration pick-up devices(sensors) . . . . . . . . . . . . . . . 536.2.3 Measuring points plan andappli

26、cation . . . . . . . . . . . . . . 546.3 Evaluation methods and results . . . . . . 556.4 Measurement report . . . . . . . . . . . . 556.5 Comparison of the results from testingand analysis technical diagnostics . . . . 577 Vibration evaluation . . . . . . . . . . . . . . 587.1 Overview . . . . . .

27、. . . . . . . . . 587.2 Global assessment . . . . . . . . . . . . . 58B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 VDI 3842 3 7.2.1 Beurteilung von Drucksten . . . . 587.2.2 Beurteilung von Druckpulsationen .

28、597.2.3 Anhaltswerte zulssiger Schwinggeschwindigkeiten . . . . . 607.2.4 Nherungsverfahren zur Beurteilung von Rohrleitungsschwingungen . . . 637.3 Spannungsbeurteilung . . . . . . . . . . . 647.3.1 Festigkeit. . . . . . . . . . . . . . . 647.3.2 Ermdung . . . . . . . . . . . . . . 707.3.3 Risse un

29、d Leck-vor-Bruch Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . 738 Abhilfemanahmen . . . . . . . . . . . . . . 768.1 Minderung der Erregung . . . . . . . . . . 768.1.1 Manahmen bei Schwingungen infolge von stationrer Rohr-strmung . . . . . . . . . . . . . . . 768.1.2 Manahmen bei Schwingungen infolge von

30、Drucksten undFlssigkeitsschlgen . . . . . . . . . 778.1.3 Manahmen bei Schwingungen infolge von Druckpulsationen . . . . 808.1.4 Manahmen bei Schwingungen infolge von Fremderregungen . . . . 818.2 Manahmen zur Schwingungsreduzierungin Rohrleitungssystemen . . . . . . . . . . 838.2.1 Verstimmung. . .

31、 . . . . . . . . . . 838.2.2 Dmpfung . . . . . . . . . . . . . . 838.2.3 Sondermanahmen. . . . . . . . . . 84Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87VorbemerkungenRohrleitungsbauteile im Anlagenbau werden in derRegel nach dem Innendruck dimensioniert (Wand-dickenbestimmung). Anschli

32、eend werden die Rohr-leitungssysteme im Rahmen einer Struktur- und Bean-spruchungsanalyse nachgewiesen. Im Allgemeinen er-folgen die Nachweise nur fr statische Belastungen,obwohl in der Praxis oftmals Schwingungsproblemeund entsprechende Schden auftreten und in Regel-werken und in der Fachliteratur

33、auf dynamische Ef-fekte hingewiesen wird.Dynamische Belastungen knnen in berlagerungmit den gleichzeitig auftretenden statischen Betriebs-lasten je nach Art des Lastfalls zuGewaltbruch (Festigkeitsversagen),Versagen durch Erreichen der plastischen Wechsel-festigkeitsgrenze,Versagen durch Erreichen d

34、er Zeit- oder Dauer-festigkeitsgrenze (Ermdung)fhren. Ihre Verfolgung kann daher ein wesentlicherBeitrag zur Anlagensicherheit sein. Andererseits hilftihre genauere Betrachtung, unwirtschaftliche ber-7.2.1 Assessment of pressure surges . . . 587.2.2 Assessment of pressure pulsations . 597.2.3 Guidan

35、ce values for permissiblevibration velocities . . . . . . . . . 607.2.4 Approximative methods for assessingpipe vibrations . . . . . . . . . . . . 637.3 Stress assessment. . . . . . . . . . . . . . 647.3.1 Strength . . . . . . . . . . . . . . . 647.3.2 Fatigue . . . . . . . . . . . . . . . 707.3.3 C

36、racks and leak-before-breakbehaviour . . . . . . . . . . . . . . 738 Remedial measures . . . . . . . . . . . . . . 768.1 Reduction of excitation. . . . . . . . . . . 768.1.1 Measures applicable to vibrationsresulting from steady-statepipe flow. . . . . . . . . . . . . . . 768.1.2 Measures applicable

37、 to vibrationsresulting from pressure surgesand liquid hammers . . . . . . . . . 778.1.3 Measures applicable to vibrationsresulting from pressure pulsations. . 808.1.4 Measures applicable to vibrationsresulting from external excitations . 818.2 Measures for reducing vibrations in pipingsystems . . .

38、 . . . . . . . . . . . . . . . . 838.2.1 Detuning . . . . . . . . . . . . . . . 838.2.2 Damping . . . . . . . . . . . . . . . 838.2.3 Special measures . . . . . . . . . . 83Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Preliminary noteIn industrial plant engineering, piping components areas

39、 a rule dimensioned on the basis of the internal pres-sure (determination of wall thickness). The next step isfor check calculations to be made of the pipe systemsas part of a structure and stress analysis. In generalthese calculations are only performed for static loadsdespite the fact that in prac

40、tice vibration problems andthe corresponding damage occur frequently and inboth the codes of practise and the specialist literaturereference is made to dynamic effects.Dynamic loads when overlying the simultaneouslypresent static operating loads can have the followingresults, depending on the type o

41、f loading case:forced break (strength failure)failure due to the plastic alternating strength limitbeing reachedfailure due to the endurance limit being reached(fatigue)Tracing these loads can therefore make a considerablecontribution to plant safety. A detailed examination ofthem will also help to

42、avoid uneconomic oversizing ofB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2004 4 VDI 3842dimensionierungen zu vermeiden. Darber hinausknnen die Schwingungen auch wenn es nicht zuSchden kommt die Produktqualitt im Anla

43、genbaubeeintrchtigen. Weiterhin strahlen schwingendeRohrleitungen Lrm ab, den es im Rahmen desArbeits- und Umweltschutzes zu minimieren gilt. DieBehandlung von Schwingungen in Rohrsystemen istdaher sinnvoll und notwendig.Schwingungsprobleme haben im Anlagenbau in denletzten 30 Jahren stndig an Bedeu

44、tung gewonnen:Die zu transportierenden Massenstrme werdenlaufend grer. Aus Platz- und Kostengrndenwachsen jedoch die Rohrleitungsquerschnittenicht proportional mit. Dadurch sind z.B. diedurchschnittlichen Dampfgeschwindigkeiten vonca. 30 m/s (1950) auf ca. 60 m/s angestiegen.Die Verfahrenstechnik fo

45、rdert immer schnellereLastwechsel und damit immer schnellere Stell-zeiten von Armaturen.Es werden immer lngere Rohrleitungen gebaut(Pipelines).Fr die Prozesse werden zur Steigerung der Wir-kungsgrade immer hhere Drcke und Tempera-turen bentigt.Parallel zu den hheren Anforderungen nehmendie Stahlmass

46、en der Rohrleitungssysteme ein-schlielich Halterungen auf Grund hherer Werk-stoffqualitten sowie hherer Ausnutzungsgradein Verbindung mit genaueren Strukturanalysenstndig ab.Bei sicherheitstechnisch relevanten Anlagen (An-lagen mit erhhtem Sekundrrisiko) wird heutezustzlich die Auslegung gegen postu

47、lierte Str-flle (Erdbeben, Explosionen) gefordert.In den Regelwerken fehlen heute mit Ausnahme derKerntechnik noch immer Hinweise, in welchen Fl-len und nach welchen Methoden Berechnungen frdynamische Belastungen durchzufhren sind unddurch welche konstruktiven Manahmen Schwin-gungsprobleme vermieden

48、 bzw. minimiert werdenknnen. Hinweise fr Schwingungsmessungen anRohrleitungssystemen zur Analyse vorhandenerSchwingungen fehlen in den Regelwerken bisherganz. Diesem Mangel versucht die vorliegendeRichtlinie VDI 3842 abzuhelfen.1 Zweck und AnwendungsbereichZiel der Richtlinie VDI 3842 ist die Behand

49、lung vonSchwingungen in Rohrleitungssystemen, insbeson-dereDarstellung der Schwingungsphnomene und ih-rer Erregungen,components. In addition, the vibrations even if nodamage results can impair the product quality inplant construction. Furthermore, vibrating pipelinesemit noise, and this must be minimized as part ofmeasures to protect working conditions and the envi-ronment. Dealing with vibration in pipe systems