压力管道振动分析及其消除措施

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　　化工生产中，动、静设备通过管道串联来完成工艺流程。在压力和流速的作用下，管道壁上会承受流体动压力。在生产中，非定常的管流会引起管道的振动。动力设备、流体输送机械操作振动和外部环境的激励使管道产生随机振动。管线若长期受到振动会产生疲劳破坏，尤其是在应力集中处。疲劳破坏可进而发生管线断裂、介质外泄，引起严重的生产事故。所以要解决管道振动问题。

　　一、压力管道的振动原因分析

　　根据管道振动理论，管道、支架和相连设备构成了一个结构系统，在有激振力的情况下，这个系统就会产生振动。管道振动分为两个系统，一个是管道系统，另一个是流体系统。

　　压力管道的激振力可来自系统自身或系统外部。来自系统自身的主要有与管道相连接的机器的振动和管内流体不稳定流动引起的振动;来自系统外的有风及地震等。

　　振动对压力管道是一种交变动载荷，其危害程度取决于激振力的大小和管道自身的抗振性能。主要影响因素如下：

　　  · 气柱固有频率。管道内充满的流体是一个具有弹性的气柱，每当压缩机的汽缸吸排气时，管内气柱便受到干扰而呈现振动。

　　  · 机械固有频率。管系是连续弹性体，存在结构固有频率。


　　  · 管流脉动引起的振动。管道流体在压缩机或泵的作用下处于脉动状态，当遇到弯管头、异径管、控制阀、盲板等管道元件时，产生一定的随时间而变化的激振力，在这种激振力作用下管道和附属设备会产生振动。


　　  · 液击振动。液击造成管道内压力的变化有时很大，严重时可使管子爆裂。


　　  · 管道内流体流速过快，形成湍流引起振动。

　　二、压力管道振动消除措施

　　1、改变管道的固有频率
　　根据振动理论，一个机械系统的多自由度振动方程可用矩阵微分方程式表示

　　式中，M为质量矩阵;X为节点位移矢量;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;F为干扰力及激振力矢量。

　　由上式知，要改变管线系统的振动特性，可考虑：

　　  · 在管道系统上加装平衡块，改变质量矩阵M，以改变系统固有频率，避免共振发生。


　　  · 改变系统的阻尼矩阵C，如在管道的固定支撑的部位放置金属弹簧、橡皮或软木等，以达到隔振、消振的目的。


　　  · 通过增加系统的刚度矩阵K，如增设支承、调整支承位置或改变支承性质。通过改变管道支承性质，缩短支承点距离使管道固有频率提高;改悬臂管为两端简支管，变弹性支承为刚性支承管，均会使固有频率加大，以达到消振的目的

　　2、消减气流振动
　　  · 调整气柱固有频率，避开气柱共振。气柱固有频率取决于管系的配管方式、长度、管径、容器容积的大小和配置位置以及气体的种类和温度等，改变管道和容器的尺寸以及配置方式，可改变管系的气柱固有频率。在配管设计时，根据工艺流程的需要做好配管初步设计后，应计算管系的气柱固有频率，并通过调整，使它们不与激振频率重合以避免气柱共振。
　　  · 降低脉动压力强度。工程中在压缩机管系靠近汽缸进出口处设缓冲器，使脉动压力不均匀度降低。另外孔板是气流阻力元件，设孔板是现场管道消减振动的有效方法之一。同时在管道内安装声学滤波器等，以控制气流脉动，达到消振的目的。

　　3、合理设计管道系统
　　  · 因管道较复杂，欲使管道系统脱离某阶共振区虽然可以做到，但状态不稳。而从振幅的计算结果看，基频共振振幅最大，高阶共振的振幅较小，所以避开低频共振才是解决问题的关键。具体方法包括调整管道的走向、支承位置、支承结构及管道结构尺寸等。将系统的固有频率调高到激振力主频率的2.8~3.0倍以上。工程中由于现场条件和工艺条件的限制，对管道的走向和结构尺寸无法改变，只有通过改变约束条件来改变系统的固有频率。


　　  · 管道弯头应避免急转弯。在压缩机管系中，激振力主要产生于弯头和异径管的接头处。因此在管道的安装中应尽量减少使用弯头。另外减小弯头角度可以增强减振效果。


　　  · 消减液击。主要方法是缓慢关闭阀门、缩短管道长度、在管道靠近液击源附近设安全阀和蓄能器等装置，以释放或吸收液击能量。


　　来源：CAE技术联盟公众号(ID：caejslm)，作者：赵力电。