مدلسازی و تحلیل ارتعاشی خط لوله حاوی سیال در طی عملیات پیگ رانی توسط روش المان محدود و آنالیز مودال تجربی

در این مقاله یک مدل خطی مناسب برای بررسی رفتار ارتعاشی خطوط لوله با تکیه‌گاه‌های ساده که تحت عملیات پیگ‌رانی قرار دارد، ارائه و تحلیل شده است. در این فرایند پیگ (به عنوان جرم ثابت فنربندی شده‌ی متحرک) که توسط سیال محرک مایع (به منزله جرم متغیر متحرک داخلی) حرکت می‌کند، در نظر گرفته شده است. با استفاده از اصل همیلتون و لحاظ نمودن معادلات ممنتم و پیوستگی سیال و نیز استفاده از یک مدل ارتعاشی برای پیگ، معادلات حاکم استخراج شده، و سپس با استفاده روش گالرکین در المان محدود، معادلات ارتعاشی سیستم (لوله، سیال و پیگ) گسسته‌سازی و حل شده‌اند. با استخراج پارامتر‌های مودال سیستم خط لوله، تغییرات آن ها حین عبور پیگ در حالت گذرا و در طی بازه‌های زمانی متوالی، با دِبی‌های مختلفِ سیالِ محرک، مورد بررسی قرار گرفته است. جهت صحه‌گذاری، از یک مدل تجربی شامل لوله‌ای به قطر 3 اینچ و با طول 2.5 متر و یک عدد پیگ ساده با دیسک‌های لاستیکی به همراه پمپ و شیر توپی، استفاده شده است. با جمع‌آوری سیگنال‌های ارتعاشی از بدنه لوله حین فرایند پیگ رانی و استفاده از آنالیز مودال، ارتباط مناسبی بین داده های تجربی و داده های تحلیلی حاصل از مدل تئوری بدست آمده و تغییرات فرکانس های طبیعی سیستم، برحسب سرعت و موقعیت پیگ با هر دو روش تحلیلی و تجربی بدست آمده است. همچنین جابجایی نقطه میانی لوله در اثر فرایند پیگ رانی به صورت تحلیلی و با استفاده از مدل تئوری پیشنهاد شده، مورد بررسی قرار گرفته است.

Modeling and vibration analysis of pipeline in the course of pigging operation, using FEM and experimental modal analysis

In this paper, a linear dynamic model of simply supported AboveGround pipeline during pigging process has been developed and verified by experimental tests. The PIG (Pipeline Inspection Gadget), is an internal moving sprung mass pushed by the fluid pressure, which itself act as a flowing varying mass. The governing equations of motion for the system including the pipeline, moving PIG as a moving vibrational subsystem, and flowing fluid with varying mass were obtained using Hamilton rsquo;s principle. Then, the extracted equations were discretized and solved via finite element method. Modal parameters of the pipeline system were calculated during intermittent passage of PIG through the pipe under different fluid flow rates, and their variations were extracted. Validation of the model was carried out using an experimental setup, including a 2.5 meter length Carbon Steel pipe, a simple bidirectional PIG with rubber discs and a centrifugal pump, connected to a control valve, providing required fluid pressure to push the PIG through the pipe. Using data acquisition system to acquire the vibration signals, and employing experimental modal analysis, frequency responses of the system at different points were obtained and the modal parameters were extracted and compared to that of the simulated model. A comparable results have been achieved between theoretical and experimental methods. Also variation of the system natural frequency versus speed and position of PIG in the pipe, were investigated. Moreover, the displacement of the midspan of considered pipe during pigging process has been obtained using suggested theoretical model.