压力管道振动分析

 引言
在工业生产中，使用的压力管道受自身和外部环境等影响，会使管线引起振动，管线如果长期受到振动的影响在应力集中的部位，就会产生疲劳感，从而使管线发生断裂，就会引起较为严重的安全事故，从而引起介质外泄，所以在生产中要尽量减少管道振动，以免造成不必要的安全事故发生。
1 压力管道振源分析
压力管道的管道、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。压力管道的振源大致分为两大类：来自系统自身和系统外部。①来自系统自身的主要有与管道相连接的机器的振动和管内流体不稳定流动引起的振动；②来自系统外的有地震及风等。振动对压力管道是一种交变动载荷，其危害程度取决于激振力的大小和管道自身的抗振性能。主要影响因素如下：①气柱固有频率。管道内充满的流体是一个具有弹性的气柱，每当压缩机或者泵的汽缸从管道吸气或排气时，管内气柱便受到干扰而呈现振动。②机械固有频率。管系是连续弹性体，存在结构固有频率，如果机器激振频率与管系结构固有频率相等时，也会共振使管系的振动加剧。③管流脉动引起的振动。管道流体在压缩机或泵的作用下处于脉动状态，当流经弯管头、异径管、三通、阀门等管道元件时，对管道的作用力也不断变化，产生一定的随时间而变化的激振力，产生振动。④两相流引起的振动。管道系中多以气态和液体的两相流为主，应为气体的可压缩性比液体大，当在管道中两相流形成有较大气泡的流型时，在不同的区域气泡受压缩不同，从而使管道发生振动。⑤液击振动。管道中阀门突然关闭或打开，流体速度突然改变，对管系产生很大的冲击力，产生振动。液击是管道系统中很重要一种振动源，有时会造成管道内压力的变化很大，严重时可使管子爆裂。⑥管道内流体流速过快，因流体边界层分离而形成湍流引起管道振动。⑦来自系统外部的地震和风对管道产生威胁，一旦发生强烈地震对埋地管道就会有破环的危险，架空管线虽然不直接受地震影响，但管道支承点大都基于地面，发生地震时支承架损坏，管道亦随之崩塌，进而造成破环。风的影响是不定时的只要管道固定牢固，虽然会因为干扰使管道振动，但影响不是很大。
2 管道振动的测量
对于一个存在振动的管系，要减轻或消除振动，就必须全面掌握各有关参数，采取适当的消振措施。
①管道结构振动测量：振动测量就是测量振动的位移，测量装置由传感器、放大器和记录仪三部分组成。传感器为速度传感器，所输出的电压与被测的振动速度成正比，所得信号要经过一次一次积分变为位移讯号，经放大器放大后到记录仪。（如图1所示）②管道压力脉动测量：管道内气流压力脉动测量装置最基本的部分是传感器、放大器和记录仪。传感器的作用是把压力变化的讯号转变为电量变化的讯号，放大器则准确地线性放大由传感器得到的电讯号，并推动记录仪记录压力脉动曲线。（如图2所示）③管道系统固有频率测量：一般采用敲击法对管系激振，对管道的一点或几点进行敲击记录衰减振动信号，对信号进行快速分析得出各阶固有频率，此方法十分简洁常用。
3 压力管道振动减小、消除的措施
3.1 改变管道的固有频率
根据振动理论：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：
M·X+C·X+K·X=F
式中：M为质量矩阵，X为节点位移矢量，C为阻尼矩阵，K刚度矩阵，F为干扰力及激振力矢量。
由上式可知，要改变管线系统的振动特性，可从以下几点考虑：①在管道系统上加装平衡块，改变质量矩阵，以改变系统固有频率避免管道共振发生。②改变管道系统的阻尼矩阵，在管道的固定支撑的部位放置金属弹簧、软木等柔性隔离物体，以达到隔振消振的目的。③通过增加管道系统的刚度矩阵，通过增设支承、调整支承位置或改变支承性质，使管道固有频率提高，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。
3.2 消减气流脉冲振动
①为了调整气柱固有频率，避免与激振频率重合产生振动，就要避开气振共振频率这就取决于配管方式的长度、管径还有容积大小和配置位置等气体的种类和温度。在做配管设计的时候，就要根据工艺流程的设计，计算好管系气柱固有频率，并且调整其频率。
②对于脉动过大的管道系统，需要采取措施消减压力脉动：1）选择压力脉动较小的压缩机（在压缩机气缸工作一个循环周期中由管道吸气和向外排气的次数越多，管道中的压力脉动越小）；2）在压缩机上设置缓冲器（缓冲器是一个容积相对于汽缸容积大10倍以上的容器，压缩机间歇排出的气体进入缓冲器后压力脉动会明显下降）；3）设置孔板是消除管道振动的最有效办法之一。因此，孔板的作用就是降低管道内的压力，有效控制气流脉动达到消除振动的目的。
3.3 减轻两相流振动的措施 为避免或减小两相流引起的管道的振动，应考虑从以下两个方面采取措施：①减小激振力，对输送饱和状态的两相管道提高隔热设计要求，尽量缩短管道长度，采用适当流速，使液化的气体减少，变相的过程不要激烈。②加强支架刚度，由于两相流的特殊性，必然产生对管道的激振力，在支架设计时，应对两相流管道考虑必要的抵抗其激振力的支架刚度。③避开共振，两相流的激振力是随机发生的，要检测管道的实际振动频率和位移，使其不与管道的自振频率相近。由于加强支架强刚度会改变管道的自振频率，在加强管道支架的刚度后要进行固有频率的计算。
3.4 液击振动的消减 管道系统中液击消除或减弱的方法主要有：①减缓关闭阀门，阀门关闭时间愈长，液击压强就愈小。②缩短管子长度，管线长度愈短，液击压强值就愈小。③在挨着管道的地方设置安全阀、蓄能器等装置，就可以安全释放和吸收液击的能量。④使用具有防液击功能的阀门。使用一种碟式止回阀，其关闭过程分快慢两个阶段完成，可根据特定系统要求调整快、慢关角行程，及慢关时间，这种阀门能起到突然停泵时防止液击的效果。还有一种设置在管系的电液侍服调节球阀，控制进泵（站）压力的下限和出泵（站）压力的上限，使管系的压力保持在设定的范围内。在管系产生液击，液击压力波传到调节阀处，调节阀迅速动作，液击压力波处于上升状态时迅速开阀泄压，液击压力波为负压时迅速关闭。根据现场实际试验能在3-10秒内将液击压力控制，使其不超过运行压力的10%。
3.5 提高管道系统的抗震能力 地震对管线影响主要采取的措施是：管道组成件采用钢质制品。采用柔性管件、最要采用波形补偿器。采用框架式支架结构，并适当加长横梁长度，框架端部焊挡板，防止管道从框架上滑落。对于长输及管道埋地的路线，要选择适当的避开在动力作用时对地震不稳定性区域产生液化，这就需要对土地差的地区进行加固等一系列安全措施；而在山区的管线，要敷设在切土后做成的平台上，并设挡成土墙，并留有操作平台。
4 结论
管道因结构复杂，管道系统所引起的振动在所难免。所以必须了解管道振动产生的原因，振动的测量方法以及振动减小、消除的措施。在管道的设计、安装及使用过程中，要充分考虑管道系统振动的影响和危害，减小或消除管道系统中振动带来潜在隐患，保证压力管道安全正常运行。