壓力管道振動原因分析

1、壓力管道振動原因分析壓力管道振動原因分析 概述 管道振動是一種常見的現(xiàn)象,嚴重的振動會加速裂紋擴展,威脅系統(tǒng)的安全運行。在壓力管道設(shè)計中,分析、研究各種影響管道振動的因素,掌握其對管道破壞的規(guī)律,采取一些必要的措施,將管道振動控制在一 定的范圍內(nèi),為系統(tǒng)安全運行提供保證是十分必要的。1、壓力管道的振動分析、壓力管道的振動分析 根據(jù)管道振動理論，管道、支架和相連設(shè)備構(gòu)成根據(jù)管道振動理論，管道、支架和相連設(shè)備構(gòu)成了一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在有激振力的情況下，這個系統(tǒng)了一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在有激振力的情況下，這個系統(tǒng)就會產(chǎn)生振動。管道振動分為兩個系統(tǒng)：一個是來就會產(chǎn)生振動。管道振動分為兩個系統(tǒng)：一個是來自系統(tǒng)外；另

2、一個是系統(tǒng)自身。自系統(tǒng)外；另一個是系統(tǒng)自身。1.1來自系統(tǒng)外的振源來自系統(tǒng)外的振源s 1.1.1 1.1.1地震：地震對管道的安全運行有很大的地震：地震對管道的安全運行有很大的影響影響, ,損壞的程度有多種因素損壞的程度有多種因素, ,如震級、地質(zhì)、管如震級、地質(zhì)、管道材料、管道敷設(shè)方向與地震波方向的相對關(guān)系、道材料、管道敷設(shè)方向與地震波方向的相對關(guān)系、連接結(jié)構(gòu)形式等。連接結(jié)構(gòu)形式等。1.1.21.1.2風力干擾風力干擾 風力干擾會使管道振動風力干擾會使管道振動, ,大都是非定時的、大都是非定時的、隨機性的激振源隨機性的激振源, ,只要管道固定牢固只要管道固定牢固, ,一般不會引一般不會引起大

3、面積的或十分激烈的管道振動。起大面積的或十分激烈的管道振動。1.1.31.1.3其它非定時的、隨機性的激振源其它非定時的、隨機性的激振源 此類非定時的、隨機性激振源的干擾會使管此類非定時的、隨機性激振源的干擾會使管道振動道振動, ,排除過激的人為因素影響排除過激的人為因素影響, ,只要管道固定只要管道固定牢固牢固, ,一般也不會引起大面積的或十分激烈的管道一般也不會引起大面積的或十分激烈的管道振動。振動。1.21.2來自系統(tǒng)自身的振源來自系統(tǒng)自身的振源s 1.2.1氣體固有頻率：氣體固有頻率：由于氣體具有可壓縮性，由于氣體具有可壓縮性，當壓力高時，體積變小，密度變大，當壓力低時，當壓力高時，體

4、積變小，密度變大，當壓力低時，體積增大，密度變小，氣柱具有彈性性質(zhì)。當管體積增大，密度變小，氣柱具有彈性性質(zhì)。當管內(nèi)氣柱受到干擾，象金屬結(jié)構(gòu)一樣會發(fā)生自由振內(nèi)氣柱受到干擾，象金屬結(jié)構(gòu)一樣會發(fā)生自由振動，其頻率稱為氣柱固有頻率。氣柱的固有頻率動，其頻率稱為氣柱固有頻率。氣柱的固有頻率與氣柱性質(zhì)、絕熱指數(shù)和氣體常數(shù)有關(guān)。當壓縮與氣柱性質(zhì)、絕熱指數(shù)和氣體常數(shù)有關(guān)。當壓縮機運動頻率與氣柱固有頻率，或管道系統(tǒng)的固有機運動頻率與氣柱固有頻率，或管道系統(tǒng)的固有頻率相等或相近時，會發(fā)生共振。頻率相等或相近時，會發(fā)生共振。s 1.2.2壓壓力的力的脈動：壓力脈動通常用壓力不均勻脈動：壓力脈動通常用壓力不均勻度度

5、（delta）這個參數(shù)加以描述。如以）這個參數(shù)加以描述。如以pm表示壓表示壓力的平均值，力的平均值，（pmaxpmin）/pm。例如當壓力例如當壓力為為320大氣壓時，若壓力不均勻度為大氣壓時，若壓力不均勻度為8%，它在內(nèi)，它在內(nèi)徑為徑為60mm的的90彎管處形成的激振力幅值可達彎管處形成的激振力幅值可達5020n。對于一個復雜的空間管道系統(tǒng)，會有多。對于一個復雜的空間管道系統(tǒng)，會有多處變截面和拐彎的地方，這些部位都將分別受到處變截面和拐彎的地方，這些部位都將分別受到大小方向不同，相位各異且隨時間而變化的力的大小方向不同，相位各異且隨時間而變化的力的作用。作用。左左圖示出了活塞式壓縮機的pv曲

6、線。示出了膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個階段的壓力變化規(guī)律。造成吸氣管和排氣管內(nèi)氣體壓力發(fā)生波動，引起振動。壓力波動的大小用壓力不均勻度表示：%100minmaxmppps 1.2.3液擊振動。液擊振動。s管道內(nèi)的流體壓力迅速上升或下降，并伴有液體的錘擊聲音，這種現(xiàn)象就叫液擊。液擊造成管道內(nèi)的壓力產(chǎn)生很大變化，突然壓力升高可使管子爆裂，突然降壓可形成管內(nèi)負壓可使管子失穩(wěn)。液擊還導致振動、發(fā)出噪音、嚴重影響管道系統(tǒng)的正常運行 1.2.4 機械固有頻率。管系是連續(xù)彈性體，存機械固有頻率。管系是連續(xù)彈性體，存在結(jié)構(gòu)固有頻率。在結(jié)構(gòu)固有頻率。1.2.5管道內(nèi)流體流速過快，形成湍流引起振管道內(nèi)流體流速過快，

7、形成湍流引起振動。動。 2 減少和防止壓力管道振動的措施減少和防止壓力管道振動的措施2.1改變管道的固有頻率：根據(jù)振動理論，一個機械改變管道的固有頻率：根據(jù)振動理論，一個機械系統(tǒng)的多自由度振動方程可用矩陣微分方程式表示系統(tǒng)的多自由度振動方程可用矩陣微分方程式表示式中：式中：m質(zhì)量矩陣；質(zhì)量矩陣； x節(jié)點位移矢量；節(jié)點位移矢量；c阻尼矩陣；阻尼矩陣；k剛度矩陣；剛度矩陣；f為干擾力及激振力矢量。為干擾力及激振力矢量。由上式知，要改變管線系統(tǒng)的振動特性，可考慮：由上式知，要改變管線系統(tǒng)的振動特性，可考慮：(1)在管道系統(tǒng)上加裝平衡塊，改變質(zhì)量矩陣在管道系統(tǒng)上加裝平衡塊，改變質(zhì)量矩陣m，以，以改變系

8、統(tǒng)固有頻率，避免共振發(fā)生。改變系統(tǒng)固有頻率，避免共振發(fā)生。(2)改變系統(tǒng)的阻尼矩陣改變系統(tǒng)的阻尼矩陣c，如在管道的固定支撐的，如在管道的固定支撐的部位放置金屬彈簧、橡皮或軟木等，以達到隔振、部位放置金屬彈簧、橡皮或軟木等，以達到隔振、消振的目的。消振的目的。(3)通過增加系統(tǒng)的剛度矩陣通過增加系統(tǒng)的剛度矩陣k，如增設(shè)支承、調(diào)整，如增設(shè)支承、調(diào)整支承位置或改變支承性質(zhì)。通過改變管道支承性質(zhì)，支承位置或改變支承性質(zhì)。通過改變管道支承性質(zhì)，縮短支承點距離使管道固有頻率提高；改懸臂管為縮短支承點距離使管道固有頻率提高；改懸臂管為兩端簡支管，變彈性支承為剛性支承管，均會使固兩端簡支管，變彈性支承為剛性支

9、承管，均會使固有頻率加大，以達到消振的目的有頻率加大，以達到消振的目的 2.2消減氣流振動消減氣流振動(1)調(diào)整氣柱固有頻率，避開氣柱共振。氣柱固有頻調(diào)整氣柱固有頻率，避開氣柱共振。氣柱固有頻率取決于管系的配管方式、長度、管徑、容器容積率取決于管系的配管方式、長度、管徑、容器容積的大小和配置位置以及氣體的種類和溫度等，改變的大小和配置位置以及氣體的種類和溫度等，改變管道和容器的尺寸以及配置方式，可改變管系的氣管道和容器的尺寸以及配置方式，可改變管系的氣柱固有頻率。在配管設(shè)計時，根據(jù)工藝流程的需要柱固有頻率。在配管設(shè)計時，根據(jù)工藝流程的需要做好配管初步設(shè)計后，應計算管系的氣柱固有頻率，做好配管初

10、步設(shè)計后，應計算管系的氣柱固有頻率，并通過調(diào)整，使它們不與激振頻率重合以避免氣柱并通過調(diào)整，使它們不與激振頻率重合以避免氣柱共振。共振。s(2)降低脈動壓力強度。工程中在壓縮機管系靠近降低脈動壓力強度。工程中在壓縮機管系靠近汽缸進出口處設(shè)緩沖器，使脈動壓力不均勻度降汽缸進出口處設(shè)緩沖器，使脈動壓力不均勻度降低。另外孔板是氣流阻力元件，設(shè)孔板是現(xiàn)場管低。另外孔板是氣流阻力元件，設(shè)孔板是現(xiàn)場管道消減振動的有效方法之一。同時在管道內(nèi)安裝道消減振動的有效方法之一。同時在管道內(nèi)安裝聲學濾波器等，以控制氣流脈動，達到消振的目聲學濾波器等，以控制氣流脈動，達到消振的目的。的。3.3合理設(shè)計管道系統(tǒng)合理設(shè)計管

11、道系統(tǒng)(1)因管道較復雜，欲使管道系統(tǒng)脫離某階共振區(qū)雖因管道較復雜，欲使管道系統(tǒng)脫離某階共振區(qū)雖然可以做到，但狀態(tài)不穩(wěn)。而從振幅的計算結(jié)果看，然可以做到，但狀態(tài)不穩(wěn)。而從振幅的計算結(jié)果看，基頻共振振幅最大，高階共振的振幅較小，所以避基頻共振振幅最大，高階共振的振幅較小，所以避開低頻共振才是解決問題的關(guān)鍵。具體方法包括調(diào)開低頻共振才是解決問題的關(guān)鍵。具體方法包括調(diào)整管道的走向、支承位置、支承結(jié)構(gòu)及管道結(jié)構(gòu)尺整管道的走向、支承位置、支承結(jié)構(gòu)及管道結(jié)構(gòu)尺寸等。將系統(tǒng)的固有頻率調(diào)高到激振力主頻率的寸等。將系統(tǒng)的固有頻率調(diào)高到激振力主頻率的2.83.0倍以上。工程中由于現(xiàn)場條件和工藝條件的倍以上。工程中由于現(xiàn)場條件和工藝條件的限制，對管道的走向和結(jié)構(gòu)尺寸無法改變，只有通限制，對管道的走向和結(jié)構(gòu)尺寸無法改變，只有通過改變約束條件來改變系統(tǒng)的固有頻率。過改變約束條件來改變系統(tǒng)的固有頻率。(2)管道彎頭應避免急轉(zhuǎn)彎。在壓縮機管系中，激振管道彎頭應避免急轉(zhuǎn)彎。在壓縮機管系中，激振力主要產(chǎn)生于彎頭和異徑管的接頭處。因此在管道力主要產(chǎn)生于彎頭和異徑管的接頭處。因此在管道的安裝中應盡