壓力管道振動(dòng)原因分析

1、壓力管道振動(dòng)原因分析,概述 管道振動(dòng)是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象,嚴(yán)重的振動(dòng)會(huì)加速裂紋擴(kuò)展,威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在壓力管道設(shè)計(jì)中,分析、研究各種影響管道振動(dòng)的因素,掌握其對(duì)管道破壞的規(guī)律,采取一些必要的措施,將管道振動(dòng)控制在一 定的范圍內(nèi),為系統(tǒng)安全運(yùn)行提供保證是十分必要的。,1、壓力管道的振動(dòng)分析,根據(jù)管道振動(dòng)理論，管道、支架和相連設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在有激振力的情況下，這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。管道振動(dòng)分為兩個(gè)系統(tǒng)：一個(gè)是來(lái)自系統(tǒng)外；另一個(gè)是系統(tǒng)自身。,1.1來(lái)自系統(tǒng)外的振源,1.1.1地震：地震對(duì)管道的安全運(yùn)行有很大的影響,損壞的程度有多種因素,如震級(jí)、地質(zhì)、管道材料、管道敷設(shè)方向與地震波方向的相對(duì)

2、關(guān)系、連接結(jié)構(gòu)形式等。,1.1.2風(fēng)力干擾 風(fēng)力干擾會(huì)使管道振動(dòng),大都是非定時(shí)的、隨機(jī)性的激振源,只要管道固定牢固,一般不會(huì)引起大面積的或十分激烈的管道振動(dòng)。,1.1.3其它非定時(shí)的、隨機(jī)性的激振源 此類非定時(shí)的、隨機(jī)性激振源的干擾會(huì)使管道振動(dòng),排除過(guò)激的人為因素影響,只要管道固定牢固,一般也不會(huì)引起大面積的或十分激烈的管道振動(dòng)。,1.2來(lái)自系統(tǒng)自身的振源,1.2.1氣體固有頻率：由于氣體具有可壓縮性，當(dāng)壓力高時(shí)，體積變小，密度變大，當(dāng)壓力低時(shí)，體積增大，密度變小，氣柱具有彈性性質(zhì)。當(dāng)管內(nèi)氣柱受到干擾，象金屬結(jié)構(gòu)一樣會(huì)發(fā)生自由振動(dòng)，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

3、體常數(shù)有關(guān)。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)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(shí)，會(huì)發(fā)生共振。,1.2.2壓力的脈動(dòng)：壓力脈動(dòng)通常用壓力不均勻度（delta）這個(gè)參數(shù)加以描述。如以Pm表示壓力的平均值，（PmaxPmin）/Pm。例如當(dāng)壓力為320大氣壓時(shí)，若壓力不均勻度為8%，它在內(nèi)徑為60MM的90彎管處形成的激振力幅值可達(dá)5020N。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的空間管道系統(tǒng)，會(huì)有多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(shí)間而變化的力的作用。,左圖示出了活塞式壓縮機(jī)的PV曲線。示出了膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個(gè)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(dòng)，引起振動(dòng)。壓

4、力波動(dòng)的大小用壓力不均勻度表示：,1.2.3液擊振動(dòng)。 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(fù)壓可使管子失穩(wěn)。液擊還導(dǎo)致振動(dòng)、發(fā)出噪音、嚴(yán)重影響管道系統(tǒng)的正常運(yùn)行,1.2.4 機(jī)械固有頻率。管系是連續(xù)彈性體，存在結(jié)構(gòu)固有頻率。 1.2.5管道內(nèi)流體流速過(guò)快，形成湍流引起振動(dòng)。,2減少和防止壓力管道振動(dòng)的措施,2.1改變管道的固有頻率：根據(jù)振動(dòng)理論，一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的多自由度振動(dòng)方程可用矩陣微分方程式表示 式中：M質(zhì)量矩陣； X節(jié)點(diǎn)位移矢量；C阻尼矩陣；K剛度矩陣；F為干擾力及激振力矢量

5、。,由上式知，要改變管線系統(tǒng)的振動(dòng)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M，以改變系統(tǒng)固有頻率，避免共振發(fā)生。 (2)改變系統(tǒng)的阻尼矩陣C，如在管道的固定支撐的部位放置金屬?gòu)椈?、橡皮或軟木等，以達(dá)到隔振、消振的目的。 (3)通過(guò)增加系統(tǒng)的剛度矩陣K，如增設(shè)支承、調(diào)整支承位置或改變支承性質(zhì)。通過(guò)改變管道支承性質(zhì)，縮短支承點(diǎn)距離使管道固有頻率提高；改懸臂管為兩端簡(jiǎn)支管，變彈性支承為剛性支承管，均會(huì)使固有頻率加大，以達(dá)到消振的目的,2.2消減氣流振動(dòng),(1)調(diào)整氣柱固有頻率，避開(kāi)氣柱共振。氣柱固有頻率取決于管系的配管方式、長(zhǎng)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

6、，改變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(jì)時(shí)，根據(jù)工藝流程的需要做好配管初步設(shè)計(jì)后，應(yīng)計(jì)算管系的氣柱固有頻率，并通過(guò)調(diào)整，使它們不與激振頻率重合以避免氣柱共振。,(2)降低脈動(dòng)壓力強(qiáng)度。工程中在壓縮機(jī)管系靠近汽缸進(jìn)出口處設(shè)緩沖器，使脈動(dòng)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(chǎng)管道消減振動(dòng)的有效方法之一。同時(shí)在管道內(nèi)安裝聲學(xué)濾波器等，以控制氣流脈動(dòng)，達(dá)到消振的目的。,3.3合理設(shè)計(jì)管道系統(tǒng),(1)因管道較復(fù)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(jì)算結(jié)果看，基頻共振振幅最大，高階共振的振幅較小，所以避開(kāi)低頻共振才是解決問(wèn)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(chǎng)條件和工藝條件的限制，對(duì)管道的走向和結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)法改變，只有通過(guò)改變約束條件來(lái)改變系統(tǒng)的固有頻率。,(2)管道彎頭應(yīng)避免急轉(zhuǎn)彎。在壓縮機(jī)管系中，激振力主要產(chǎn)生于彎頭和異徑管的接頭處。因