壓力管道振動分析

 引言
在工業(yè)生產(chǎn)中，使用的壓力管道受自身和外部環(huán)境等影響，會使管線引起振動，管線如果長期受到振動的影響在應(yīng)力集中的部位，就會產(chǎn)生疲勞感，從而使管線發(fā)生斷裂，就會引起較為嚴(yán)重的安全事故，從而引起介質(zhì)外泄，所以在生產(chǎn)中要盡量減少管道振動，以免造成不必要的安全事故發(fā)生。
1 壓力管道振源分析
壓力管道的管道、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)就會產(chǎn)生振動。壓力管道的振源大致分為兩大類：來自系統(tǒng)自身和系統(tǒng)外部。①來自系統(tǒng)自身的主要有與管道相連接的機(jī)器的振動和管內(nèi)流體不穩(wěn)定流動引起的振動；②來自系統(tǒng)外的有地震及風(fēng)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(nèi)充滿的流體是一個具有彈性的氣柱，每當(dāng)壓縮機(jī)或者泵的汽缸從管道吸氣或排氣時(shí)，管內(nèi)氣柱便受到干擾而呈現(xiàn)振動。②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，如果機(jī)器激振頻率與管系結(jié)構(gòu)固有頻率相等時(shí)，也會共振使管系的振動加劇。③管流脈動引起的振動。管道流體在壓縮機(jī)或泵的作用下處于脈動狀態(tài)，當(dāng)流經(jīng)彎管頭、異徑管、三通、閥門等管道元件時(shí)，對管道的作用力也不斷變化，產(chǎn)生一定的隨時(shí)間而變化的激振力，產(chǎn)生振動。④兩相流引起的振動。管道系中多以氣態(tài)和液體的兩相流為主，應(yīng)為氣體的可壓縮性比液體大，當(dāng)在管道中兩相流形成有較大氣泡的流型時(shí)，在不同的區(qū)域氣泡受壓縮不同，從而使管道發(fā)生振動。⑤液擊振動。管道中閥門突然關(guān)閉或打開，流體速度突然改變，對管系產(chǎn)生很大的沖擊力，產(chǎn)生振動。液擊是管道系統(tǒng)中很重要一種振動源，有時(shí)會造成管道內(nèi)壓力的變化很大，嚴(yán)重時(shí)可使管子爆裂。⑥管道內(nèi)流體流速過快，因流體邊界層分離而形成湍流引起管道振動。⑦來自系統(tǒng)外部的地震和風(fēng)對管道產(chǎn)生威脅，一旦發(fā)生強(qiáng)烈地震對埋地管道就會有破環(huán)的危險(xiǎn)，架空管線雖然不直接受地震影響，但管道支承點(diǎn)大都基于地面，發(fā)生地震時(shí)支承架損壞，管道亦隨之崩塌，進(jìn)而造成破環(huán)。風(fēng)的影響是不定時(shí)的只要管道固定牢固，雖然會因?yàn)楦蓴_使管道振動，但影響不是很大。
2 管道振動的測量
對于一個存在振動的管系，要減輕或消除振動，就必須全面掌握各有關(guān)參數(shù)，采取適當(dāng)?shù)南翊胧?
①管道結(jié)構(gòu)振動測量：振動測量就是測量振動的位移，測量裝置由傳感器、放大器和記錄儀三部分組成。傳感器為速度傳感器，所輸出的電壓與被測的振動速度成正比，所得信號要經(jīng)過一次一次積分變?yōu)槲灰朴嵦?，?jīng)放大器放大后到記錄儀。（如圖1所示）②管道壓力脈動測量：管道內(nèi)氣流壓力脈動測量裝置最基本的部分是傳感器、放大器和記錄儀。傳感器的作用是把壓力變化的訊號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓挠嵦?，放大器則準(zhǔn)確地線性放大由傳感器得到的電訊號，并推動記錄儀記錄壓力脈動曲線。（如圖2所示）③管道系統(tǒng)固有頻率測量：一般采用敲擊法對管系激振，對管道的一點(diǎn)或幾點(diǎn)進(jìn)行敲擊記錄衰減振動信號，對信號進(jìn)行快速分析得出各階固有頻率，此方法十分簡潔常用。
3 壓力管道振動減小、消除的措施
3.1 改變管道的固有頻率
根據(jù)振動理論：一個機(jī)械系統(tǒng)的多自由度振動方程可用矩陣微分方程式表示：
M·X+C·X+K·X=F
式中：M為質(zhì)量矩陣，X為節(jié)點(diǎn)位移矢量，C為阻尼矩陣，K剛度矩陣，F(xiàn)為干擾力及激振力矢量。
由上式可知，要改變管線系統(tǒng)的振動特性，可從以下幾點(diǎn)考慮：①在管道系統(tǒng)上加裝平衡塊，改變質(zhì)量矩陣，以改變系統(tǒng)固有頻率避免管道共振發(fā)生。②改變管道系統(tǒng)的阻尼矩陣，在管道的固定支撐的部位放置金屬彈簧、軟木等柔性隔離物體，以達(dá)到隔振消振的目的。③通過增加管道系統(tǒng)的剛度矩陣，通過增設(shè)支承、調(diào)整支承位置或改變支承性質(zhì)，使管道固有頻率提高，變彈性支承為剛性支承管，均會使固有頻率加大，以達(dá)到消振的目的。
3.2 消減氣流脈沖振動
①為了調(diào)整氣柱固有頻率，避免與激振頻率重合產(chǎn)生振動，就要避開氣振共振頻率這就取決于配管方式的長度、管徑還有容積大小和配置位置等氣體的種類和溫度。在做配管設(shè)計(jì)的時(shí)候，就要根據(jù)工藝流程的設(shè)計(jì)，計(jì)算好管系氣柱固有頻率，并且調(diào)整其頻率。
②對于脈動過大的管道系統(tǒng)，需要采取措施消減壓力脈動：1）選擇壓力脈動較小的壓縮機(jī)（在壓縮機(jī)氣缸工作一個循環(huán)周期中由管道吸氣和向外排氣的次數(shù)越多，管道中的壓力脈動越?。?）在壓縮機(jī)上設(shè)置緩沖器（緩沖器是一個容積相對于汽缸容積大10倍以上的容器，壓縮機(jī)間歇排出的氣體進(jìn)入緩沖器后壓力脈動會明顯下降）；3）設(shè)置孔板是消除管道振動的最有效辦法之一。因此，孔板的作用就是降低管道內(nèi)的壓力，有效控制氣流脈動達(dá)到消除振動的目的。
3.3 減輕兩相流振動的措施 為避免或減小兩相流引起的管道的振動，應(yīng)考慮從以下兩個方面采取措施：①減小激振力，對輸送飽和狀態(tài)的兩相管道提高隔熱設(shè)計(jì)要求，盡量縮短管道長度，采用適當(dāng)流速，使液化的氣體減少，變相的過程不要激烈。②加強(qiáng)支架剛度，由于兩相流的特殊性，必然產(chǎn)生對管道的激振力，在支架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對兩相流管道考慮必要的抵抗其激振力的支架剛度。③避開共振，兩相流的激振力是隨機(jī)發(fā)生的，要檢測管道的實(shí)際振動頻率和位移，使其不與管道的自振頻率相近。由于加強(qiáng)支架強(qiáng)剛度會改變管道的自振頻率，在加強(qiáng)管道支架的剛度后要進(jìn)行固有頻率的計(jì)算。
3.4 液擊振動的消減 管道系統(tǒng)中液擊消除或減弱的方法主要有：①減緩關(guān)閉閥門，閥門關(guān)閉時(shí)間愈長，液擊壓強(qiáng)就愈小。②縮短管子長度，管線長度愈短，液擊壓強(qiáng)值就愈小。③在挨著管道的地方設(shè)置安全閥、蓄能器等裝置，就可以安全釋放和吸收液擊的能量。④使用具有防液擊功能的閥門。使用一種碟式止回閥，其關(guān)閉過程分快慢兩個階段完成，可根據(jù)特定系統(tǒng)要求調(diào)整快、慢關(guān)角行程，及慢關(guān)時(shí)間，這種閥門能起到突然停泵時(shí)防止液擊的效果。還有一種設(shè)置在管系的電液侍服調(diào)節(jié)球閥，控制進(jìn)泵（站）壓力的下限和出泵（站）壓力的上限，使管系的壓力保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。在管系產(chǎn)生液擊，液擊壓力波傳到調(diào)節(jié)閥處，調(diào)節(jié)閥迅速動作，液擊壓力波處于上升狀態(tài)時(shí)迅速開閥泄壓，液擊壓力波為負(fù)壓時(shí)迅速關(guān)閉。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn)?zāi)茉?-10秒內(nèi)將液擊壓力控制，使其不超過運(yùn)行壓力的10%。
3.5 提高管道系統(tǒng)的抗震能力 地震對管線影響主要采取的措施是：管道組成件采用鋼質(zhì)制品。采用柔性管件、最要采用波形補(bǔ)償器。采用框架式支架結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)加長橫梁長度，框架端部焊擋板，防止管道從框架上滑落。對于長輸及管道埋地的路線，要選擇適當(dāng)?shù)谋荛_在動力作用時(shí)對地震不穩(wěn)定性區(qū)域產(chǎn)生液化，這就需要對土地差的地區(qū)進(jìn)行加固等一系列安全措施；而在山區(qū)的管線，要敷設(shè)在切土后做成的平臺上，并設(shè)擋成土墻，并留有操作平臺。
4 結(jié)論
管道因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管道系統(tǒng)所引起的振動在所難免。所以必須了解管道振動產(chǎn)生的原因，振動的測量方法以及振動減小、消除的措施。在管道的設(shè)計(jì)、安裝及使用過程中，要充分考慮管道系統(tǒng)振動的影響和危害，減小或消除管道系統(tǒng)中振動帶來潛在隱患，保證壓力管道安全正常運(yùn)行。