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1、压 力 管 道 振 动 原 因 分 析 概述 管道振动是一种常见的现象,严重的振动会加速裂纹扩展,威胁系统的安全运行。在压力管道设计中,分析、研究各种影响管道振动的因素,掌握其对管道破坏的规律,采取一些必要的措施,将管道振动控制在一 定的范围内,为系统安全运行提供保证是十分必要的。 1、 压 力 管 道 的 振 动 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：一个是来自系统外；另一个是系统自身。 1.1来 自 系 统 外 的 振 源S 1.1.1地震：地震对管道的安全运行有很大的影响,损坏的程度有多种因素,如
2、震级、地质、管道材料、管道敷设方向与地震波方向的相对关系、连接结构形式等。 1.1.2风力干扰 风力干扰会使管道振动,大都是非定时的、随机性的激振源,只要管道固定牢固,一般不会引起大面积的或十分激烈的管道振动。 1.1.3其它非定时的、随机性的激振源 此类非定时的、随机性激振源的干扰会使管道振动,排除过激的人为因素影响,只要管道固定牢固,一般也不会引起大面积的或十分激烈的管道振动。 1.2来 自 系 统 自 身 的 振 源S 1.2.1气体固有频率：由于气体具有可压缩性，当压力高时，体积变小，密度变大，当压力低时，体积增大，密度变小，气柱具有弹性性质。当管内气柱受到干扰，象金属结构一样会发生自
3、由振动，其频率称为气柱固有频率。气柱的固有频率与气柱性质、绝热指数和气体常数有关。当压缩机运动频率与气柱固有频率，或管道系统的固有频率相等或相近时，会发生共振。 S 1.2.2压力的脉动：压力脉动通常用压力不均匀度（delta）这个参数加以描述。如以Pm表示压力的平均值，（PmaxPmin）/Pm。例如当压力为320大气压时，若压力不均匀度为8%，它在内径为60MM的90弯管处形成的激振力幅值可达5020N。对于一个复杂的空间管道系统，会有多处变截面和拐弯的地方，这些部位都将分别受到大小方向不同，相位各异且随时间而变化的力的作用。 左图示出了活塞式压缩机的PV曲线。示出了膨胀、吸气、压缩、排气
4、四个阶段的压力变化规律。造成吸气管和排气管内气体压力发生波动，引起振动。压力波动的大小用压力不均匀度表示：%100 minmax mP PP S 1.2.3液击振动。S管道内的流体压力迅速上升或下降，并伴有液体的锤击声音，这种现象就叫液击。液击造成管道内的压力产生很大变化，突然压力升高可使管子爆裂，突然降压可形成管内负压可使管子失稳。液击还导致振动、发出噪音、严重影响管道系统的正常运行 1.2.4 机械固有频率。管系是连续弹性体，存在结构固有频率。1.2.5管道内流体流速过快，形成湍流引起振动。 2 减 少 和 防 止 压 力 管 道 振 动 的 措 施2.1改变管道的固有频率：根据振动理论，
5、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质量矩阵； X节点位移矢量；C阻尼矩阵；K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：(1)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。(2)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。(3)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 2.2消 减 气 流
6、振 动(1)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。 S(2)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。 3.3合 理 设 计 管 道 系 统(1)因管道较
7、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2.83.0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。 (2)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。(3)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。 谢谢大家。
压力管道振动原因分析
