管道系统振动分析与工程应用

    1　引言

    管道内的流体在流过管道过程中,由于管路的弯头、管径变化等因素,不可避免地有流速、压头的变化,这样就产生了管道振动问题。如活塞式压缩机、往复泵,由于吸、排量的间歇性和周期性使管流的压力、速度、密度等参数既随位置变化,又随时间变化。管流的压力、速度、密度等参数随时间呈周期性变化的现象称“管流脉动”。管流脉动是引起管道及附属设备振动的主要原因。此外,管道还会受到地震、风力和意想不到的外力瞬时冲击等作用,此时管道就要发生复杂的振动,这些振动将对管道的安全和寿命有一定的影响,严重的情况会造成不可预估的后果。据估计,工业先进的美国过去因管道振动而造成的损失每年达100亿美元以上,我国这类事故也经常发生,所以研究管道振动问题以及如何消除或减轻管道振动是一个很有经济效益的课题。

   早在20世纪50年代,美国就开始对管道振动问题进行探索研究。20世纪70年代初,苏联的A·维将金在研究管道振动问题上取得突破性进展,接着由日本的一些学者继续完善,使管道振动问题进入实用阶段。我国在20世纪70年代中期开始进行管道振动问提的研究,目前已取得较好成果。

    2　管道振动的原因

    2·1　引起管道振动的原因

    管道及其支架和与之相连结的各种设备或装置构成了一个复杂的机械结构系统,该系统产生振动是由多种原因引起的:一是由于运动机构的动力平衡性差或基础设计不当;二是由于气流脉动;三是共振;另外一个原因可能是管道内流体流速过快产生湍流边界层分离而形成涡流,引起振动。

    2·1·1　动力平衡性差或基础设计不当引起的管道振动

    一般管路都是和压缩机或泵连接在一起,压缩机和泵在出厂前的动平衡必须满足设计要求,安装应符合安装规范,保证其振动在设计范围之内。因此管道振动往往是基础设计不当造成的。

    2·1·2　气流脉动引起的管道振动

    气流脉动是引发管道振动的最主要原因,管道输液(气)需通过压缩机或泵加压作为动力,这种加压方式是间歇性的,由于间歇加压,管道内的压力在平均值的上、下脉动(或称波动),即产生所谓的压力脉动,管流处于脉动状态。脉动状态的流体遇到弯管头、异径管、控制阀、盲板等管道元件,产生一定的、随时间而变化的激振力,在这种激振力作用下管道和附属设备产生振动。

    2 ·1·3　共振

    共振分为两类,一是气柱共振:管道系统内所容纳的气体称为气柱,因为气体可以压缩、膨胀,故可以看作一个类似弹簧的振动系统,具有一系列的固有频率,当往复机激发频率与某阶固有频率相等或相近时,系统即产生对应该阶频率的共振;二是管道机械共振:由管子、管件和支架组成的管道本身也是一个弹性系统。管道系统根据配管情况、支撑的类型和位置,也会有一系列的固有频率,当激发频率与某阶固有频率相等或相近时,便发生管道的机械共振。