壓力管道的振動原因分析

通過壓力管道系統振動理論，對振動原因進行了具體分析，提出了相應的消除振動的有效措施。

化工生產中，動、靜設備通過管道串聯來完成工藝流程。在壓力和流速的作用下，管道壁上會承受流體動壓力。在生產中，非定常的管流會引起管道的振動。動力設備、流體輸送機械操作振動和外部環境的激勵使管道產生隨機振動。管線若長期受到振動會產生疲勞破壞，尤其是在應力集中處。疲勞破壞可進而發生管線斷裂、介質外泄，引起嚴重的生產事故。所以要解決管道振動問題。
一、壓力管道的振動原因分析
根據管道振動理論，管道、支架和相連設備構成了一個結構系統，在有激振力的情況下，這個系統就會產生振動。管道振動分為兩個系統，一個是管道系統，另一個是流體系統。
壓力管道的激振力可來自系統自身或系統外部。來自系統自身的主要有與管道相連接的機器的振動和管內流體不穩定流動引起的振動；來自系統外的有風及地震等。振動對壓力管道是一種交變動載荷，其危害程度取決于激振力的大小和管道自身的抗振性能。主要影響因素如下。
1．氣柱固有頻率。管道內充滿的流體是一個具有彈性的氣柱，每當壓縮機的汽缸吸排氣時，管內氣柱便受到干擾而呈現振動。
2．機械固有頻率。管系是連續彈性體，存在結構固有頻率。
3．管流脈動引起的振動。管道流體在壓縮機或泵的作用下處于脈動狀態，當遇到彎管頭、異徑管、控制閥、盲板等管道元件時，產生一定的隨時間而變化的激振力，在這種激振力作用下管道和附屬設備會產生振動。
4．液擊振動。液擊造成管道內壓力的變化有時很大，嚴重時可使管子爆裂。
5．管道內流體流速過快，形成湍流引起振動。
二、壓力管道振動消除措施
1．改變管道的固有頻率
根據振動理論，一個機械系統的多自由度振動方程可用矩陣微分方程式表示

式中：M一一質量矩陣；
X一一節點位移矢量；
C一一阻尼矩陣；
K一一剛度矩陣；
F一一為干擾力及激振力矢量。
由上式知，要改變管線系統的振動特性，可考慮：
(1)在管道系統上加裝平衡塊，改變質量矩陣M，以改變系統固有頻率，避免共振發生。
(2)改變系統的阻尼矩陣C，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、消振的目的。
(3)通過增加系統的剛度矩陣K，如增設支承、調整支承位置或改變支承性質。通過改變管道支承性質，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，均會使固有頻率加大，以達到消振的目的
2．消減氣流振動
(1)調整氣柱固有頻率，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，可改變管系的氣柱固有頻率。在配管設計時，根據工藝流程的需要做好配管初步設計后，應計算管系的氣柱固有頻率，并通過調整，使它們不與激振頻率重合以避免氣柱共振。
(2)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，設孔板是現場管道消減振動的有效方法之一。同時在管道內安裝聲學濾波器等，以控制氣流脈動，達到消振的目的。
3．合理設計管道系統
(1)因管道較復雜，欲使管道系統脫離某階共振區雖然可以做到，但狀態不穩。而從振幅的計算結果看，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鍵。具體方法包括調整管道的走向、支承位置、支承結構及管道結構尺寸等。將系統的固有頻率調高到激振力主頻率的2.8~3.0倍以上。工程中由于現場條件和工藝條件的限制，對管道的走向和結構尺寸無法改變，只有通過改變約束條件來改變系統的固有頻率。
(2)管道彎頭應避免急轉彎。在壓縮機管系中，激振力主要產生于彎頭和異徑管的接頭處。因此在管道的安裝中應盡量減少使用彎頭。另外減小彎頭角度可以增強減振效果。
(3)消減液擊。主要方法是緩慢關閉閥門、縮短管道長度、在管道靠近液擊源附近設安全閥和蓄能器等裝置，以釋放或吸收液擊能量。