管道振动控制技术现状及展望

    0 引 言

    管道系统作为一种重要的工程结构,在军事、石油化工、核电、海洋工程等诸多领域以及给水排水、消防、供暖等生活设施中有着广泛应用,随着人们对生产、生活环境要求的提高,其振动噪声问题越来越突出。

    管道的强烈振动会使管道与附件、管道之间的连接处等部位发生磨损松动,引起管道和支吊架材料的疲劳损伤,甚至发生断裂,产生严重后果。例如我国曾发生军机输油管道振动破裂导致毁机的重大事故[1],某海底输油管道也因振动疲劳引起环焊缝断裂[2]。管道还起到传递振动、噪声的作用,不利于对振动噪声的控制和隔离。如高层建筑地下室内水泵的振动噪声沿管道四处传播,尤其对底层住户影响较大[3];振动传递到液化气罐,会对其安全状况产生影响[4]。

    1  管道振动机理的研究

    在20世纪70年代,Dong等[5]开始对管道的振动特性进行研究。随后Paidoussis[6]对输液管的振动(侧重于线性振动)进行了阐述。目前我国对此问题的研究也取得了较好成果,并呈现向非线性振动研究不断深入的趋势。

    从管道模型建立的角度出发,徐鉴等[7]介绍了输液管道梁模型和壳模型的适用情况、建模过程及建模方法,并对非线性动力学分析模型的相关研究进行了展望。从管道耦合振动的角度出发,张立翔等[8]介绍了流固耦合的主要形式,并对此问题在非线性领域的研究进展进行了讨论。陈贵清等[9]指出,埋地管道的管土耦合振动也是管道振动研究领域的重要组成部分。Tang等[10]对深水中管道的非线性振动特征进行了研究。Watanabe等[11]对溢流管的流致振动进行了试验分析,并建立相关理论模型进行了稳定性分析。

    管道振动诱因通常可从以下几个方面考虑。

    1)支承基础以及与管道相连的设备传递的振动。许多学者认为,由支承基础以及与管道相连的设备(如汽轮机组、泵等)传递的激振力是管道以及振动的主要激励源之一,特别是当激力频率与管道的某个固有频率重合时,管道发生共振,振幅很大[12-14]。

    2)管内流体压力脉动引起的振动。卢学军等[12]认为,经过鼓风机、压缩机、泵等增压后,管内流体处于脉动状态,在遇到弯头、异径管、控制阀等元件时,会产生随时间变化的激振力,引起管道振动。Qing等[15]进一步对因孔口引起的压力脉动和管道振动进行了试验研究,并指出管内压力脉动在轴向最大的位置。

    3)管内流体涡流、气柱共振引起的振动。张广成[13]认为,管内流速较大时,涡流的周期性释放会在管壁上产生周期性扰动力,激起管道振动。朴磊等[14]认为,管道系统内的气柱可看做一个类似弹簧的振动系统,具有一系列的气柱固有频率,如果外界激振力频率与其相近,则会引起管道共振。