Schallerregte Schwingungen von Rohrleitungen

1. Abstract

Besides direct excitation of structures, e.g. due to vortex shedding, acoustic modes may cause vibrations of components of inner structures (e.g. pipes), especially if resonance frequencies coincide. If it has taken suspected, that excessive vibrations of inner components are responsible for noise phenomena outside of the structure, reliable distinction between both phenomena is essential. In this investigation the relation between acoustic modes and vibrations of pipes inside a boiler was clarified with the aid of experimental and numerical simulation techniques. The basic cause of a nearly monofrequent tone outside the boiler was determined, and removed by means of a simple constructive change.

2. Ausgangssituation

Während des Betriebes eines Boilers (Abmessungen 27 x 8 x 3 m) in einer petrochemischen Anlage trat besonders stark bei höheren Leistungen im Außenbereich ein nahezu monofrequentes Brummen auf, welches mit Rohrleitungsschwingungen und -schäden im Innern des Boilers in Verbindung gebracht wurde. Eine Stillstandsphase wegen Umbaumaßnahmen bot die Gelegenheit, diesen Zusammenhang durch eine Untersuchung der Raumakustik und der Resonanzfrequenzen einzelner Rohre zu klären.

3. Lösungsweg

Der Lösungsweg umfaßte die folgenden Untersuchungsschritte:

1. Identifikation der akustischen Eigenfrequenzen und -formen des "kalten" Boilerinnenraumes durch gezielte Beschallung (diffuse Schallanregung im Bereich des Einlaufs und Messung der Antworten mit drei orts-veränderlichen Mikrophonen.

2. Identifikation der mechanischen Eigenfrequenzen der Rohre durch eine Modalanalyse der Rohre mit Impulsanregung.

3. Ermittlung einer quantitativen Beziehung zwischen einer Schallanregung (Schalldruck) und den Rohrantworten durch gezielte Beschallung im Bereich der Rohre und Messung der Antworten mit vier ortsveränderlichen Beschleunigungsaufnehmern auf ausgewählten Rohren.

4. Numerische Simulation der Boilerinnenraumakustik mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode und Verifikation der Messergebnisse.

5. Numerische Simulation und Extrapolation auf die Verhältnisse bei Betriebstemperaturen und bei realistischer Gaszusammensetzung.

6. Abschätzung der Gefährdung der Rohre und ihrer geschweißten Verbindung durch Schallanregung.

4. Ergebnisse

Die nachfolgende Abbildung zeigt in Form eines Frequenz-Zeitspektrums beispielhaft ein sweep - Signal zu Ansteuerung des Lautsprechers.

Hier die Antwort, d.h. der dadurch erzeugte Schalldruck etwa in der Mitte des Boilers. Man erkennt, dass im unteren Frequenzbereich im Boiler Schalldruckschwankungen bei ausgezeichneten Frequenzen auch ohne definierte Anregungen auftreten, und dass die Schallquelle erst im höheren Frequenzbereich nennenswerte Energie an den Raum abgibt und zahlreiche Resonanzfrequenzen anregt.

Die Auswertung der Schallpegelmessungen für verschiedene, mit dem Frequenzsuchverfahren vorher festgelegte Frequenzen an insgesamt 180 verschiedenen Positionen im Innern des Boilers führte zur Identifikation von mehreren akustischen Moden, die auch den infrage kommende Frequenzbereich im "warmen" Zustand abgedeckten. Die Interpretation der Messergebnisse und deren Vergleich mit den Ergebnissen von Finite-Elemente-Rechnungen zeigt, dass das Rechenmodell geeignet ist, die tatsächlich im "warmen" Betrieb auftretenden akustischen Schwingungen zu simulieren und darüber hinaus zur Beurteilung von konstruktiven Schallbeeinflussungsmaßnahmen beizutragen.

Die Berechnungen der akustischen Moden unter Berücksichtigung des Temperaturverlaufes und der Gaszusammensetzung bestätigten die bei früheren Messungen identifizierte Schwingung als akustisches Phänomen. Diese Mode steht in enger Beziehung zu geometrischen Besonderheiten des Boilers und zwar zum Abstand von Rohrbündeln untereinander und den Abmessungen des Boilerquerschnitts. Sie kann damit besonders leicht im Betrieb angeregt werden.

Eine Modalanalyse ausgewählter Rohre im eingebauten Zustand ergab, dass im besonders interessierenden Frequenzbereich keine Eigenfrequenz auftritt.

Nach der Realisation der vom LBF vorgeschlagenen konstruktiven Änderung trat das "Brummen" nicht mehr auf: