Vibrasjonsproblematikk på offshorekonstruksjoner eksempler og løsninger

Transkript

1 Vibrasjonsproblematikk på offshorekonstruksjoner eksempler og løsninger Utmattingsskade relatert til eksitasjon fra roterende utstyr og strømninger i rør Operasjonsregularitet for utstyr Arbeidsmiljøproblematikk relatert til vibrasjoner og støy Name: Jan Wigaard Date: 22. mai 2007

2 Innledning: Vibrasjonssystemet er sammensatt Vibrasjoner, samlebegrep for mye, her periodisk forskyvning, måles som forskyvning, hastighet eller akslerasjon på struktur, typisk fra 1Hz til 1000Hz, typiske hastigheter er fra under 1 mm/s til 10 mm/s og over 100 mm/s når det er noe riktig galt. Er det noen som tror at man kan analysere del-fenomenene her med isolerte lokale modeller? Har det gått bra før?? -2 -

3 Innhold Er det et problem? Litt teori om ulike eksitasjoner Litt om utfordringene med respons analyser Gigasykel utmatting Dempning som nøkkelfaktor Stivhetsavstaging og Dempningstaging Vibrasjonsmålinger Legoklosser brukt på feil måte Eksempler på problemer og løsninger Anbefalt fremgangsmåte design Denne presentasjonen først og fremst om vibrasjoner, men det er en viss sammenheng mellom vibrasjoner og støy. God design som sørger for lite vibrasjoner vil også minske støy. -3 -

4 Det vibrerer ja, men er det et problem? Øket fokus på vibrasjonsproblematikk, overraskende hvor mangelfulle regelverk og design prosedyrer har vært og er når det gjelder å designe slik at man har kontroll på vibrasjoner. Vibrasjonsproblematikk har å gjøre både med arbeidsmiljø og svikt av utstyr, komponenter og struktur. Undersøkelser: Det kan synes som om en signifikant andel, et sted mellom 25% og 40% av lekkasjer, skyldes at en komponent går i stykker, dvs at menneskelig feil eller feil prosedyrer ikke er årsaken, og at vibrasjoner direkte eller indirekte har skylden i minst 1/3 av disse tilfellene igjen. -4 -

5 Operasjonsregularitet for utstyr Offshore industrien har både nylige og historiske eksempler på at uheldig design fører til vibrasjonsproblemer og nedetid på utstyret. Manglende eller feilaktig dynamisk design som fører til at komponenter kommer i resonanser er som regel årsaken. Dette koster penger og tid, til reparasjoner og i tapt produksjon. I endel tilfeller har man også hatt langvarige stopp i produksjonen med tap på tresiffrede million beløp. Det meste av dette kan unngåes ved god design, risiko kan reduseres betydelig, kunnskapen er kjent, men tydeligvis ikke for alle involverte parter. -5 -

6 Er det en Sikkerhetsrisiko? Det er åpenbart sikkerhetskritisk når det de siste fem år har vært fire gasslekasjer som forfatteren kjenner til og som skyldes utmattingsbrudd i rør eller rørpåstikk på grunn av vibrasjoner. Og jeg fanger ikke opp alt som skjer. Og det var sikkerhetskritisk når to av tre trykkluftpumper ved et tilfelle var ute av drift pga vibrasjonsrelatert lagerhavari, trykkluft er endel av nødsystemet ombord. (Motormasse/stivhet-i-opplagerstruktur = resonans) Arbeidsmiljø undersøkelser om opplevde støy og vibrasjonsproblemer : Her svarer 2/3 av alle offshore arbeidere at de av-og-til eller ofte-alltid opplever så høy støy at man må rope eller bruke hørselvern. 1/3 svarer det samme om de er utsatt for vibrasjoner i hender/armer fra maskiner og verktøy. Arbeidsmiljø handler ikke bare om komfort, stressede og slitne mennesker gjør feil. Altså er vibrasjoner er stort potensiellt risikoproblem -6 -

7 Eksitasjonen (Dels etter Claes Fredö) Statisk trykk, kinematisk trykk, akkustisk trykk, interaksjon mellom kinematisk og akkustisk-aeroelastisk (ingen enhetlig teori) Strømningsinduserte trykkvariasjoner Monopol: strømningsvariasjoner, eksempel, pulsasjoner fra stempelkompressor, W ~ U m4, Lavfrekvent Dipol, strømnings(trykk)fluktuasjoner, eksempel avløsninger over skarp kant, W ~ U m6, mellomfrekvent Kvadrupol:turbulense, bredspektret høyfrekvent, W ~ U m 8 Enkelt sagt: Status i dag er at analyser hverken kan gi deg frekvenser eller amplituder med særlig nøyaktighet for strømningsinduserte trykkvariasjoner. Litt forbedring i strømningsmønsteret gir stor forbedring i trykkpulsasjonene W ~ U m 4-8 Litt økning i strømningshastighet kan gi deg mye større problemer, ting oppstår når man sprenger grenser og øker trykk og hastighet. Maskin induserte strukturelle vibrasjoner fra ubalanser, design verdier tildels godt definert, virkelig verdier avhenger av mange faktorer Eksitasjonen kan forsterkes både ved akkustiske resonanser og ved strukturelle resonanser Grunnfrekvens og overharmoniske: -7 -

8 Gigasykel utmatting, spesiell utfordring Uansett: sveiste konstruksjoner er utrolig følsomme for utmatting ved høye frekvenser SN kurvene vi bruker er egentlig for N < ca sykler nåes i løpet av timer/dager ved vibrasjoner Det er diskusjon om det i det hele tatt finnes en utmattingsgrense for sveiste konstruksjoner for N > 10 9, ved vibrasjoner får man N= over år. Man diskuterer om helningen på kurvene er m=3, m=5, m=8 eller m=20 over N=10 7 Det er direkte hasardiøst å satse på en trygg spenningsvidde som ved 10 7 sykler, dvs 30-50MPa Erfaringen at mye står lenge, er ikke helt relevant, det er langt fra at brudd er så lite sannsynlig som regeverket krever, til at brudd er sannsynlig En noenlunde sikker spenningsvidde er nok mere 10-20MPa (m 8) -8 -

9 Legoklosser brukt feil Standard flens OK for sammenføyning av rør Weldolet OK for avstikk, erstatte styrke i røret Men sammen, oppå, hverandre som en utkrager, og gjerne med 2-3 ventiler opp der igjen?? Der tykkelsen i kritisk snitt kun er valgt utfra trykk-klasse, det er bransje standard, men det er lite smart! -9 -

10 Dempning som nøkkelfaktor F[N] m[kg] k[n/m] c[ns/m] (komplex egenverdi beregning: modal dempning dempede egenmoder/frekvenser) Skille klart mellom begrepene demping, stivhet og treghet. En trampoline demper ikke den fjærer. Mer masse demper ikke responsen, det tilfører treghet som endrer egenfrekvenser og kanskje eller kanskje ikke minsker responsen Mer stivhet demper ikke responsen, det endrer egenfrekvenser og kanskje eller kanskje ikke minsker responsen AVM er ikke dempere, mer om isolasjon senere

11 Inherent damping in steel structures Mode System 1 System 2 System 3 System Table 1, % of critical damping measured in four piping systems Modes Supported on steel beams Freq. [Hz] Damping % of Crit. Supported on wood loading pallet Freq. [Hz] Damping % of Crit. Y-bending X-bending Y-bending RZ-torsion Z- pumping Table 2 shows an example of the variation in loss factor for a pipe work mockup with changes in its boundary conditions, which clearly demonstrates that its dynamic response will be controlled by the amount of vibration energy that is transferred at its supports. Note that the loss factors provided in Table 1 apply for fundamental system modes and that values can be expected to drop down to the material damping (0.02%-0.005%) when modes with localized vibration shapes occur. A guesstimated damping of 1% can then lead to a dynamic response that is off by a factor 50 to 200 times.

12 Mockup: with and without damper solution(patented) Click on a picture to animate and listen to the difference between the conventional pipe and the damped pipe Conventional pipe on steel beam supports Same pipe fitted with damping solution Damping from shear deformation in layers of visco elastic material NOTE - MPEG files must be located in the directory of this presentation for animation to function You listen to sound from a 3-axial acceleration signal amplified though a loadspeaker the accelerometer is the tiny metal cube near the hammer Measured results Acceleration/Force Strain/Force Solid curves = conventional pipe Dashed curves = with damping solution Conventional Damped

13 Stivhetsavstaging og dempningsavstaging Kan stive opp over 100 Hz, vanskelig over 200Hz, fra påstikk ned til rør Dempning virker på alle frekvenser Kan ikke stive fra rør/påstikk og til annen struktur (tvang), men man kan dempe til annen struktur. Grunnkurs i mekanikk kan se ut til å mangle

14 Utfordringene med respons analyser Globaldynamikk, typisk 3-5 moder godt atskilt, enkelt, forskjellig FEprogramvare gir samme svar. Kan designe vekk fra resonanser, fabtoleranser små i forhold til typiske dimensjoner. Typiske rørsystemer og typiske moduldekk: høy modal tetthet, ulike FE programvare gir ulike svar, fabtoleranser betydelige i forhold til typiske dimensjoner, e.g. Stiveravstand, tykkelse på rørvegg, målinger og analyser gir forskjellige svar både på egenfrekvenser og respons til eksitasjon Bare glem å designe vekk fra alle resonanser, det er bokstavelig talt tusenvis Innebygd dempning vanskelig å estimere, respons ved resonans i lett dempede systemer er proposjonal med dempning, forskjellen på 1% og 2% av kritisk dempning er faktisk 100%, og det er lett å bomme mye mere enn det!! Ca 600! Modes up to 60 Hz

15 Vibrasjonsmålinger Nivåer Alle kan Nivåer og spektre-> egenfrekvenser, færre kan gjøre ODS, verktøy for å diagnostisere kompliserte problemer. Gir nivåer, egenfrekvenser, modeformer og opererende svingemønstre. Måle mange punkter med faseinformasjon beholdt. Gjøres av erfarne måleingeniører

16 Example: Dynamic stiffness of multi degree of freedom system F(t) Stiffness [N/m] 1.E+08 Dynamic stiffness The dynamic stiffness varies by several orders of magnitude as frequency changes and drop to values significantly smaller than the static stiffness 0.E frequency [Hz]

17 Vibrasjons isolering ( Dels fra Claes Fredö) Isolere sender fra å transmittere til omgivelse, eller isolere en følsom mottaker fra å motta fra omgivelsen Gjøres ved å dekoble med fleksible elementer, dvs fjærer ( ikke dempere). Stålfjærer, gummi, stålull, luftbelger Om: maskin leverandør velger AVM, strukturdisiplinen dimensjonerer dekket statisk, typisk result er da at AVM ene er dynamisk stivere enn dekket. Konsekvens Fremgangsmåte Verktøy Hva man bør kjenne til Høy Middels Lav Ingen Detalj design, direkte dynamiske beregniger. Spesialprogram for oppstillingsdimensjonering Schablon dimensjonering Velg isolator basert på belasting. Finite Element beregninger Semi-analytiska verktøy Nomogram maskinvekt, eksiterende frekvens Datablad for isolator Krever en integrert modell av hele systemt inkludert fundament. Nøyaktige frekvensavhengig egenskaper. Feilaktig antakelser i modellering får store konsekvenser. AVM egenskaper må detaljbeskrives, fundament må dynamisk dimensjoneres Baseres på forenklede antakelser om sender/mottager. Dårlig nøyaktighet i av sender/mottagers resonanser. Antar at sender/mottager er stive legemer og at isolatoren er en ideel fjær. Tar ofte bare hensyn til bevegelse i en retning. Objektets vekt, tyngdepunkt samt ytre laster

18 Eksempel 1, isolering og dempning av kompressor skid Over til venstre, vibrasjonsrespons når begge kompressor skiddene er isolert fra modul dekket med en oppstillingsfrekvens på 3 Hz, vibrasjonene blir i kompressor skidden. Over til høyre, respons analyse med begge skiddene fastmontert i modul dekket. Vibrasjonene sprer seg til modulen, og vibrasjonsnivået øker med en faktor 2-3 på selve skidden. Under til venstre, vibrasjons isolatoren, fjærpakke med progressive stoppere for å ta ekstrem laster. Under til høyre, viscodempere montert mellom skid og dekk for å dempe interne moder i skidden og dempe stivlegeme bevegelser under oppstart og nedkjøring

19 Eksempel 2, typiske SBA utmattingsbrudd Venstre: rørstuss som vibrerte til sprekk i sveis som førte til lekasje og nødsituasjon ombord. Brudd etter noen måneder. Konturene viser en høy spenningstopp akkurat i sveisen mellom flens og weldolet. Tynn vegg og stor spennings-konsentrasjon er uheldig. Eksitasjonen var akkustisk trykkvariasjon generet av rifler på innsiden av fleksibelt stigerør, ca 250 Hz Midten: påstikk på gassrør, sprekk og gasslekasjoe, levetid ca 6 mnd, eksitasjon trolig avløsning ved skarp kant som ble forsterket av akkustisk resonans, ca 24 Hz ( 2. harmoniske av 12 Hz.) Høyre, en stuss gikk til brudd etter to dager!! På en stempelkompressor skid, hele anlegget gått gjennom og dempet (nødløsninger kan gjøres penere), årsak trolig blanding av feil kompressor design, manglende isolering og dempning og generelt for mange struktur resonanser. Kan løses ved stivhetsavstagning, eller mere robust, med demper lenker. Dette noen av mange kjente liknende eksempler fra mange industrier

20 Eksempel 3 db [Hz] 16.9 [db(lin)] 1.0 [.] ( Smallbore 12 /Smallbo12)Transfer function mag Hz Bump test on Stickbore, Alvheim AF-Ingemansson AB Date: 2/20/2007 Freq.range: Hz Freq.resolution: 0.5 Hz Window: Uniform Acceleration in db (rms) [Hz] [db(lin)] [s] SBF01 +X APS SBF01 +Y APS SBF01 +Z APS Acceleration in db (rms) [Hz] [db(lin)] [s] 130 SBF01 +X APS SBF01 +Y APS SBF01 +Z APS Frequency in Hz Alvheimm/Bump test/stickbore_low_ Frequency in Hz Alvheimm/Bump test/stickbore_up_01 venstre: påstikk på utløp fra kompressor, høyre: frekvensspekter fra bump test, man slår på ventilen med en hammer og måler vibrasjonene over en kort tid. Spekteret viser en spiss resonans på 29.8Hz, med en estimert dempning på 0.7% av kritisk. Drivfrekvens fra kompressoren er 30Hz. Denne ville med nesten 100% sikkerhet ha vibrert til brudd. Målingene ble gjort som endel av kvalitetsikringen av anlegget og denne ble avstaget før systemet er satt i drift. Stagning ikke helt prima men godt nok, ca 60 Hz, enkelt å stage bedre til ca 130 Hz

21 Eksempel 4 viser en stempel kompressor skid som hadde betydelig vibrasjonsproblemer, der det gikk til brudd på to steder i rørføringen og det ble lekasje og nødsituasjon ombord. Årsaken ble funnet med en blanding av analyser og målinger, og problemet løst ved å tilføre dempning med hyllevare produkter og lokal avstivning. Røde piler viser plassering av viscodempere

22 Eksempel 5, Quills that fail in fatigue due to vortex shedding gas flow quill Main pipe

23 Eksempel 6, scrubber innmat To brudd Et blad som stod mot strømningen som en blokkføyte kant, trolig lokal avløsning Brudd i Bolter som holdt et sylinderskall som hadde lokale moder rundt 25Hz som traff en trolig ekstern kilde. Men uansett ikke bra mekanisk design

24 Eksempel 7, når man virkelig trenger god isolasjon ( Fra Claes Fredö) Lignende system, men to-stegs brukt for isolering av generator på Kvitebjørn som står rett ved boligkvarteret. vibrasjonsisolering av Nanolab ved Lund Universitet. Design ÅF Ingemansson. Det er ekstreme krav til lave vibrasjoner, nede i 0.5 μm/s. Kilden er en fartsdump 25 meter fra følsomt utstyr. Når store biler kjører over dumpen får man en kombinasjon av strukturbåren vibrasjon i bakken og Akkustisk Infralyd som genereres når luftvolumet under bilen fortrenges av dumpen. Løst med en avansert 3 stegs isolering, først gulvet, så på selve maskinen. Laveste oppstillingsfrekvens er 0.2 Hz. Det er brukt luftbelger som er koblet til større volumer. Et slikt system krever aktiv niveleringskontrol

25 Bedre rørføring, detaljer og komponenter gir mindre eksitasjon. Gjelder også måleinstrumenter som forstyrrer strømningen (fra Claes Fredö) Det finnes design på akkustiske dempere og absorbenter

26 Anbefalt fremgangsmåte i design Krav: gjør en god teknisk og konkret kravspesifikasjon, det holder ikke å bare si at det skal ikke vibrere for mye og henvise til mangelfulle regelverk. Dialog med leverandør (samme integrerte vibrasjonssystem, ikke mulig med avgrensinger). Krav til funksjon og hvordan man gjør design og analyser Sett ikke krav til bare lydtrykk(støy) utenfor en kompressor, men også til trykkpulser ut i røret. Eksitasjonen led strømningen i rør så skånsomt mulig, vær bevist på strømningshastighet man dimensjonerer med. Demp akkustisk ved f.eks. Kompressor utløp Isoler strukturellt de vibrerende kildene Robust strukturellt Balanser slik at nominelle spenninger er moderate Tenk utmatting, gode sveiser, sveisestørrelse, jevne overganger Stiv av veldig slanke komponenter Struktur må dimensjoner dynamisk, ikke bare kvasistatisk Strukturell Dempning hjelper alltid, skader aldri, og er alltid en god og billig forsikring Brukt i størst mulig grad så komplette og integrerte analysemodeller av hele systemer som mulig. Ta alltid ut både akkustiske og strukturelle egenfrekvenser og egenmoder. Det gir deg mye informasjon Kjør alltid respons analyser, både akkustisk og strukturellt, selv om du ikke vet lasten, kjør i såfall en typisk enhetslast, du kan luke ut svakheter i designen din. Bruk målinger aktivt for å kontrollere designen, det er billig forsikring, det er uoverkommelig å analysere alt i detalj. Velg hvor man sette inn resursene (mest kritisk), gjør så en passe bra staging/dimensjonering på de mange (tusenvis), kontroller med målinger og fiks opp de forhåpentligvis få som ikke ble bra nok. Bruk målinger aktivt ved aksept ved levering av vibrerende utstyr Legg inn målepunkter for overvåkning i drift, både noen flere og mere relevante punkter, og punkter man kan ta i bruk til diagnose dersom man får problemer. DET HAR IKKE ALLTID GÅTT BRA FØR, MEN PROSJEKTERENDE INGENIØRER HØRER NESTEN ALDRI OM DE TILFELLENE DER DET IKKE GÅR BRA

27 Sluttord Fortsetter man tidligere praksis vil problemene fortsette eller øke, og sannsynligheten for alvorlig hendelser blir nok større enn den bør være Det er (desverre) slik at skal man oppnå en forbedring betyr det at man må endre måten å gjøre ting på, og det vil koste noe mere tid og penger Det positive er at det kan synes som om sluttkundene nå er mere bevisste og villige til å legge resurser i bedre design mot vibrasjoner

28 - 28 -