API610标准扭转分析的解读

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前言

扭转分析属于转子动力学范畴，而转子动力学是研究所有与旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性的学科，同时与流体力学中轴承与密封的润滑密切相关，它广泛应用于航空发动机、汽轮机、压缩机、水轮机、泵及电机等各种旋转机械领域。研究范围包括：振动、动态响应、强度、疲劳、可靠性、状态监测、故障诊断和控制等方面，尤其是研究接近或超过临界转速运转状态下的转子各种动力学问题。

由于扭转分析涉及很强的专业性，泵沙龙只能针对标准做初步简单解读 - 对于何种情况下进行何种扭转分析、对分析结果是否满足要求的判断依据以及不满足时所采取的措施进行汇总/总结。仅供同行们参考。

注：本文中所涉及的条款、表及图号均指API610第11版标准所对应的条款、表及图号。

02

标准解读

对于动力学 - 扭转分析的规定，与ANSI / API610第10版相比，第11版做了非常大的更改/增补。

1）API/ISO标准编委会重新编写了此章节。

2）对原有条款内容进行了增补，并添加了很多新的内容（新添加的条款有6.9.2.1、6.9.2.3、6.9.2.4、6.9.2.7、6.9.2.9、6.9.2.11～6.9.2.14）。

3）回复了用户提出的关于扭转分析的类型及在何种情况下需要进行何种扭转分析的问题。

4）附加了一张流程图，提供了一个简单的“是/否”进行何种扭转分析的判断--树形法的选择指导。现摘录如下：

条款6.9.2.1（新增）泵常用的扭转分析有三种：

a)  无阻尼固有频率分析：通过机组扭振固有频率和相关模态振型的确定、以及一张坎贝尔图的生成，来判断可能的共振点。

b)  稳态阻尼响应分析：需对无阻尼固有频率分析中无法覆盖的共振点进行受迫响应分析，该分析利用激振幅值和阻尼的代表值进行计算，得到周期性扭矩和轴模型中所有单元的应力值。分析结果可用于对机械结构的合理性进行评估。

c)  瞬态扭转分析：该分析的过程与稳态阻尼响应分析类似，但它是在瞬态条件下进行的分析，分析得到的周期性扭矩和应力的结果均为时间的函数。到目前为止，该分析方法主要应用于对同步电机启动过程的分析。

条款6.9.2.2（修改及增补）除非另有规定，如果驱动机属于下列情况之一时，应当由负有机组责任的制造商进行无阻尼固有频率分析：

a)  由3个或3个以上的设备连接起来的机组，其额定功率为1500 kW或者更大。

b)  通过齿轮的异步电动机或汽轮机（机组），其额定功率为1500 kW或者更大。

c)  内燃机，额定功率为250 kW或者更大。

d)  同步电动机，其额定功率为500 kW或者更大。

e)  带变频调速传动装置的电机，其额定功率为1000 kW或者更大。

f)  立式泵，驱动机额定功率为750 kW或者更大。

对于立式泵，特别是长轴立式泵，一些制造商的经验是：驱动机惯量比较大和泵级数较多时，易受非常小的扭转激励。

应将整个机组作为一个整体来进行分析，除非机组中包含一个弱动态耦合装置，如液力耦合器或液力变矩器。在任何情况下，负责机组责任的卖方应负责任何必要的修改，以符合条款6.9.2.3至6.9.2.9的要求。

条款6.9.2.3（新增）如果有规定，对于带变频调速传动装置的电动机，应当进行稳态阻尼响应分析，该分析应考虑所有12倍线频以内的共振频率。

大多数现代变频调速传动装置的电动机，运行得当时，会产生微不足道的扭转振动和轴应力；只有变频调速传动装置的电动机出现故障时，才可能产生显著的激励。某些产生显著扭矩脉动的设计依然存在。

条款6.9.2.4（新增）如果有规定，或如果驱动设备是一台同步电机，其额定功率为500 kW或更大，应进行瞬态扭转分析。如果进行，时间瞬态分析应符合6.9.2.11至6.9.2.14的要求。

注：如果发电机相间或单相接地故障被认为是一个重大风险，或者快速总线开关发生失电，一些采购商会选择执行瞬态分析。

条款6.9.2.10（增补）如果有规定，或者如果既进行了稳态阻尼响应分析又进行了瞬态扭转分析，制造商应提供一份详细的扭转分析报告。报告应包括如下内容：

a)  用于计算固有频率方法的说明。

b)  质量弹性系统图。

c)  质量弹性系统每个元件的质量矩和扭转刚度的表格。

d)  坎贝尔图。

e)  如果进行应力分析，对每个共振频率示出标有峰值应力的模态图。

解读

对于何种情况下需要进行何种扭转分析，标准中不仅给出了指导性流程图，而且在相关条款中也有明确说明，现总结如下：

1）当满足条款6.9.2.2 中 a）到f）之一时，必须进行无阻尼固有频率分析。

2）当有要求时，对于带变频调速传动装置的电动机应进行稳态阻尼响应分析。

3）当有要求时，或如果驱动设备是一台同步电机，其额定功率为500 kW或更大，应进行瞬态扭转分析。

工程实践中，由于核电站核主泵运行工况要求比较多、且运行条件特殊，因此，通常需要进行无阻尼固有频率分析和稳态阻尼响应分析；核电站其余大型泵组（包括其它行业所使用的大型泵组），通常仅进行无阻尼固有频率分析。

另外，标准还对分析结果是否满足要求给出了判断依据以及不满足时所采取的措施：

条款6.9.2.6 整个机组的扭转固有频率应比规定的转速范围内（从最低到最高连续转速）任何可能的激励频率至少高出10%或低于10%。

条款6.9.2.8 如果计算的扭转固有频率落在6.9.2.6规定的范围内（并且买方和卖方都同意，为使临界频率离开禁止的频率范围已经竭尽全力），进行的稳态阻尼响应分析表明，共振对整个机组没有不利影响，应当清楚地说明在有关激励幅度和阻尼程度的分析中所做的假设。此项分析验收准则应当由买方和卖方共同商定。

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