压力管道设计(工业管道和公用管道)6

3.1.5 管道的振动

引起管道系统振动的原因，大致可分为三类

1）回转机械（如压缩机、泵）的回转部分动平衡不良而引起的振动，此振动传递给与他连接的管道，将引起管道振动

2）管道内气体或液体的不稳定流而引起的振动，如往复式机泵管道内流体周期性脉动引起的管道振动，液击产生的冲击波引起的管道振动等，汽液两相流也会引起管道振动

3）外力引起的管道振动，如强大的风力横向对着管道吹时，在管线的背风面产生卡曼涡流引起的管道振动，地震引起的管道振动等

3.1.5.1 往复式压缩机管道振动分析及对策

A 往复式压缩机管道振动原因分析

1 气流脉动引起管道振动

2 气柱共振与机械共振

B 管道振动的防治对策

1 消减气流脉动

2 改进管道系统结构，消减管道振动

1.气流脉动引起管道振动

往复式压缩机管道振动原因

1）由于机器运动机构的动平衡差或基础设计不当，压缩机往复运动惯性力使机组发生振动

2）由于气流压力脉动引起，往复式压缩机在运行时，吸气和排气均是间歇性的，两者交替进行。此外，活塞运动速度又是变化的，这种现象必然造成气流压力脉动，较大的压力脉动会引起管道和机器设备的很大振动

实践证明，生产过程中遇到的往复式压缩机管道振动绝大部分是由气流脉动引起的。要缓解管道振动，首要的问题是减小气流压力脉动

压缩机P-V展开图

往复式压缩机管道内的气流压力呈脉动状态，压力随时间的变化如图6.30所示，气流脉动大小用压力不均匀度来表示:

δ=（P

max -P

min

）/P

m

×100%

δ——气体压力不均匀度，% ；

P max 、P

min

——在一个循环中最大、最小气体压力（MPa）；

P

m

——在一个循环中平均气体压力，（MPa），

P m =（P

max

+P

min

）/2

管道的气流压力不均匀度δ值越大，振动频率越高，则振动的能量越大，对管道带来破坏的可能性也越大对往复式压缩机管道中的气体压力不均匀度需要规定许用值。前苏联列宁格勒化工机械研究院对大型对置式压缩机的许用压力不均匀度［δ］提出了一个标准，见表6.9

管道（双）振幅的许用值和危险值

2.气柱共振与机械共振

气柱固有频率与共振管长

管道系统内所充满的气体称为气柱。气体可以压缩，膨胀，具有一定的弹性，因而气柱是一个具有连续质量的弹性振动系统，在一定的激发作用下会产生振动压缩机气缸周期性地向管道吸气和排气，就是对管道中气柱的激发，使气柱产生振动，即气流脉动

根据管道长度和管道两端边界条件等，气柱有一系列固有频率，叫气柱固有频率

当压缩机的激振频率与管道的气柱固有频率接近时，就会产生气柱共振，这时管道内气流脉动将非常强烈

复杂管系气柱固有频率计算

复杂管系由若干直管，容器，三通，异径管等元件组成。在计算时将管系分解成若干元件的组合

复杂管系气柱固有频率的计算不像简单管道那样容易，一般都是在计算机上进行。目前已有不少计算管系气柱固有频率的专用软件

为了使管道的气柱固有频率避开压缩机的激发频率f

ex

激发频率的计算公式如下

Hz

n——压缩机主轴转速，r/min

m——激发的谐量分析阶

对单缸单作用压缩机，m=1，2，3，...，其中m=1为主谐波

对单缸双作用压缩机，m=2，4，6，...，其中m=2为主谐波

管道系统的机械共振

当管道的脉动气流遇到弯管、异径管、阀门、盲板时，就对管道产生激发，引起管道振动

两处的激振力幅值均较大，尤其是弯头处，足以引起管道振动

异径管处的激振力幅值随小端截面积的缩小而增大，如果A2=0，那就是盲板了。盲板处的激振力最大

（a）弯管（b）异径管

图6.33弯管和异径管处的激振力

算出弯管和异径管处的激振力幅值ΔR

在弯管处

在异径管处

管道系统是一个连续的弹性体，根据配管情况，支撑类型及位置的不同，管系有各自的机械固有频率

如果激振力的频率与管系的机械固有频率很接近，这时，即使并不很大，也会激起很强的机械振动，这种情况称为机械共振

往复式压缩机管道的设计，不仅要避免气柱共振，也要避免机械共振

（a）弯管（b）异径管

图弯管和异径管处的激振力

算出弯管和异径管处的激振力幅值ΔR

在弯管处

在异径管处

管系的机械固有频率分析方法

实验测试法:用激振器激振或用敲击法测管道的固有频率

计算法：计算管道的固有频率。计算法由于对支架约束条件的估计不准会带来计算结果的误差

g—重力加速度；δst—管道在本身质量力作用下的静变形量，按材料力学的方法计算

复杂管系机械固有频率

复杂管系很难用简单的计算方法计算出其机械固有频率，工程上都用计算机采用有限元法计算，将管系划分成若干单元

一般将一段直管作为一个管单元；弯管处理成弯管单元或若干根截面与弯管相等的直管组成的折线代替；法兰和阀门作为集中质量；缓冲器、分离器等容器有两种情况，园筒形容器视为截面尺寸较大的管单元，球形容器作刚体处理，与相连的管子组成含刚体管单元

用计算机计算复杂管系的固有频率，可以得到精度很高的数值。但它能否真正反映管系的固有频率，还要看计算模型是否与实际情况一致

计算管系机械固有频率的程序很多，如CaesarⅡ，SAP等

B 管道振动的防治对策

1.消减气流脉动

通过降低管内气流压力的不均匀度，减小气流压力脉动幅值，对于缓解管道振动是非常重要的

消减气流脉动，首先应避免气柱共振。此外，还须采取进一步的措施，使管道内的气流压力不均匀度δ小于许用值［δ］

几种消减气流脉动的措施

（1）采用合理的吸、排气顺序

（2）装设缓冲器

（3）装设声学滤波器

（4）装设孔板

（5）消减气流脉动的其他措施

采用合理的吸、排气顺序

如图6.34（a）、（b）为双缸双作用压缩机的不同配置在排气管道和吸气管道上激发的压力脉动形式。显然，图6.34（a）这种配置方案（曲柄错角

α=180°）是不利的，在一个瞬间两个气缸同时排（吸）气，形成十分不均匀的