管道振动分析

输水管道振动分析

水利水电工程和农业水利工程中，为了减小蒸发、输水方便、利于控制，常采用压力管道进行输水。在管道输水过程中，往往会发生管道的振动现象，若管线长期振动会遭受疲劳破坏，进而引发管线断裂、水体外泄等事故。应在设计中予以考虑。

1.输水管道振动机理

在压力和流速作用下，管道壁会承受动水压力，动力设备、来流条件、流体输送机械操作和外部环境的刺激会使管道产生随机振动。

管道、支架和相连设备构成一个结构系统，在激振力的作用下，系统会发生振动。管道振动分为两个系统：一个是管道系统，一个是流体系统。

压力管道的激振力来源于系统自身或系统外部。来自系统自身的激振力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；来自系统外的主要有风、地震等。振动对压力管道而言是交变荷载，危害程度取决于激振力的大小和管道的抗震性能。

2.管道激振力分析

来自系统内部的激振力主要有以下几种：

2.1 由于运动要素脉动产生的脉动压力

实际工程中的液体流动多属于紊流，其基本特征是许多大小不等的涡体相互混掺着前进，在流动过程中流速、压强等运动要

素会发生脉动，继而产生脉动压强和附加切应力，管道在此作用下会发生振动。

2.2 由于气蚀产生的冲击力

对于部分压力管道，基于提供水流动能和节省工程投资的需求，常选择断面较小的管道，管道内流动的水流为高速水流。水流流动过程中动能较大，压能较小，当压强低于同温度下的气化压强时，部分液体发生气化，产生空泡。空泡随液流前进的过程中逸出，当压强增大，其自身的存在条件被破坏后，空泡发生溃灭。空泡在管壁附近频频溃灭，会在瞬间产生较大的冲击力，使管道发生振动。

2.3 由于水击产生的水击压力

压力管道中流动的液体流速因某种外界原因发生急剧变化时（如阀门开启或关闭），由于液体具有一定的压缩膨胀性，液体内部压强产生迅速交替升降，这种交替升降的水击压力像锤子击打在管壁、阀门或其他管路元件上一样，造成管道的弹性变形和振动。

3.削减管道振动作用的措施分析

3.1管道材料的选择

管道材料不同，其结构性能也不同。为了减轻振动，首先应选择抗震性能较强、弹性较好的材料。如同等条件下，应首选钢管、UPVC管，其次是铸铁管、混凝土管。

3.2 消减流体振动

在管路系统适当处设置缓冲器或孔板等，降低流体脉动强度，可一定程度上减弱管道振动。

3.3 合理设计管路系统

（1）管道弯头处避免急转弯。管路系统中，激振力主要产生在弯头处和异径连接处，因此管道安装中应尽量减少使用弯头，或减小弯头角度。

（2）在管壁材料强度允许的条件下，选用直径较大、管壁较薄的管道。同时缓慢开启或关闭阀门、缩短管道长度、在水击源处设置安全阀或蓄能器等装置，以释放或吸收水击能量。