管道系统振动分析与工程应用

文章编号:1005)0329(2002)10)0028)04

管道系统振动分析与工程应用

王乐勤何秋良

(浙江大学,浙江杭州310027)

摘要:阐述了管道振动产生的原因与机理,影响因素以及消减管道振动的技术方法,提出了研究管道振动今后的发展方向。

关键词:往复式压缩机;管道;振动

中图分类号:TU3113文献标识码:A

Reciprocating C ompressor Pipeline Vibration Analysis and Engineering Application

Wang Leqin He Qiuliang

Abstract:The reason and mechanism of bringing pipeline vibration,the fact of affecting pipeline vibration and technic and methods of reducing pipeline vibration were explained.In the end,the develop mental way to studying pipeline vibration was point out. Keywords:reciprocating compressor;pipeline;vibration

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0。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

211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。

21111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。21112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

收稿日期:2002)02)04

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。21113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。

212管道振动的影响因素

管道系统一般由多种管件组成。图1所示是炼油厂氢气压缩机组管道流程,由图1可以看出,缓冲器的容积、设备的布置、管径的大小、支架的位置、管道的走向和造型是影响管道振动的重要因素。

图1压缩机管道流程示意

21211缓冲罐容积及位置

当气体处于脉动状态时,管内的压力在平均值附近上下波动,压力脉动的强度用压力不均度D来表示:

D=P max-P mi n

P0

@100%

P0=P max+P min

2

式中P ma x)))不均匀压力的最大值

P mi n)))不均匀压力的最小值

D是判别管道设计优劣的重要依据。缓冲罐容积要足够大,同时其位置要尽量靠近气缸。21212管径

管径越大,管道端口接收到的速度激发就越小,加大管径能有效地降低压力不均匀度。21213管系造型和支架

管系产生振动的内因是气流脉动,外因是管系造型。合理的管系造型设计首先必须避免气柱和管道机械共振。调整设备布置及管道走向可以改变管系的刚度,即管系的固有频率。为了不使管道产生共振,必须使管系的各阶固有频率不接近激发频率。

3管道减振技术

管道的减振可以通过两个途径来解决:(1)控制管流的压力脉动,使其不产生谐振;(2)调整管系结构的固有频率,使其不产生机械振动。

311压力脉动的消减

31111改变气柱固有频率,避开气柱共振

管系气柱固有频率取决于管系的配管方式、长度、管径、容器容积的大小和配置位置、支管长、支管位置、以及流体的种类和温度等等。改变管道和容器的尺寸以及它们的配置方式相对来说是比较容易实现的,工程上采用这种方法较多。

在配管设计时,应根据工艺流程做好配管初步设计,应计算管系的气柱固有频率,并通过调整,使之不与激发频率重合以避免气柱共振。31112压力脉动的控制

气流脉动的消减关键在于配管的设计,在配管设计阶段,除了满足工艺要求外,还要进行管系配置的充分计算,以便对管系作出最优化选择,如管径、管长、容器体积、连接位置、支管长度、支管位置等的优化选择。此外还要进行气流脉动响应计算,找出压力脉动不均匀度沿管线的分布规律,必须使其都在允许范围之内。

压力脉动的控制比较复杂,除反复计算、合理调整外,尚须在系统的适当位置正确配置缓冲器、孔板、支管、集管器的元件,或者在某些部位设置诸如液流消振器、消振簧、储能器等装置,以消减或抑制压力脉动。消振设备有以下几种:

(1)消振器

设置缓冲器是降低压力脉动最有效的措施,缓冲器有两中类型:一种是单容器缓冲器,如图2所示;另一种是由两个容器串接组成的P型滤波器,如图3所示。两种缓冲器在总容积相等的情况下使用P型滤波器前的压力要高出单容器缓冲器的1倍,而器后的脉动压力约是单容器的一半。所以两种缓冲器的选用要看主要是消减器前