压力管道振动问题分析

压力管道振动问题分析
摘要：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。

关键词：压力管道；振动原因；对策分析
1 压力管道的振动原因分析
压力管道主要承受的压力来自内部结构和外部环境，所以产生的振源又不可
能只有一种，相关人员在对振动故障进行分析时，还要从系统本身以及外部环境
两个角度入手进行分析，使预防对策能全面一些。

系统本身振动原因主要有两方面：
一方面是一些机械设备运行本身就会产生振动，这些振动会使周围相连接的
管道以及地面都随之产生振动，机器设备距离管道越近，压力管道振动程度就越大，产生变形的机率就越大。

另一方面管道内部液体在流动过程中，会因为外界作用或机械设备运行影响，而发生速度不均，甚至液体碰撞管道内壁的现象，这些不稳定液体作用在管道上，管道不会保持镇定。

系统外部环境振动源主要是地理环境或气候环境的急剧变化
带来的轻微振动或激烈振动。

比如天降大雨或大雪时，雨水和雪直接作用在管道上，给管道造成一定的压力，尤其是没有熔化的雪，这些压力是持续不规律作用
在管道上的，所以在此期间发生的管道振动频率也是不一样的。

在地震发生时，
压力管道会随着地面振动一起振动，并且地面震动产生的压力会直接影响到压力
管道的稳定性，管道会直接断裂。

外界环境带来的压力管道振动在管道使用期间
发生的频率还是比较小的，所以本文将研究重点放在系统内部带来的振动原因。

1.1 气柱固有频率
当管道系统内部不同管长的气柱固有频率保持一致时，同频压力管道就会出
现振动现象，振幅和振动程度会根据固有频率大小，做出相关反应。

所以在对气
柱固有频率该原因进行分析时，除了要分析气柱固有频率产生过程外，还要对气
柱固有频率进行计算。

在管道内部，所谓的气柱并不是指封闭空间中的气体，而
是指当管道内部的液体和管道内壁之间不再有空隙后，这些液体可以充当成弹性
气柱。

管道在运输液体过程中，要保证液体按照一定的速度顺畅流动，还需要压
缩机或柱塞泵作用，使管道内部气体流动能随着液体流动发生变化，柱塞泵的气
缸负责管道气体吸排工作。

这些气体的变化，会使管道内部气体与液体构成的环
境发生变化，管道弹性气柱自然不能稳定不变，在对固有频率进行计算时，直接
将管道气柱发生自由振动时的频率作为计算对象。

气柱固有频率是振动产生的，
所以和平面波动理论是不谋而合的。

所以可用平面波动方程来计算固有频率数值，平面波动方程是由两部分合成的，分别是连续性方程和运动方程，结合后的方程
式为：d 2 pt/dt 2 =a 2 d 2 pt/dl 2，p 是管道气流脉冲产生的压力，α 代表声速，l
为距离，t 是时间。

固有频率和速度有关，公式是可以求得脉动速度的，前提是
要将脉动压力求解出来，可以将管道初始和边界条件作为参考依据。

1.2 结构固有频率
管道系统结构是由诸多管道连接而成的，所以整体连续性是比较强的，这就
造成振动连续性，这种振动产生的频率就是结构固有频率。

理论力学相关的计算
方法计算对象为横平竖直较为简单的管道体系，而有直管和弯管相连接的管道体
系，在计算上比较麻烦，所以其固有频率的计算必须借助计算机来完成。

这样的
复杂结构在计算时，首先要将其按照一定的规律分成好几段简单的管道结构，可
以将直管作为一个计算单元，将弯管作为另一个计算单元。

1.3 气流脉动
气流脉动主要是活塞式压缩机运行时内部的压力和速度不断变化产生的脉动。

活塞式压缩机和气缸对管道内部结构进行换气，管道主要经历两个流程，排气和
换气，这两个流程主要通过活塞运动实现，活塞运动的速度不可能一直保持均匀，这就导致换气过程，气体流动产生的压力也是处于变化之中的。

并且换气时间的增长，压力和速度呈现变化莫测的趋势，将其和时间分别置
于不同的坐标轴上，可作出相关的脉动图，时间是自变量，压力和速度为因变量。

压力和速度不同带来管道内部气流不均，也会造成气流振动，进而管道受激振力
作用而发生失稳现象。

在气流脉动中，压力产生的气流激振作用比较大，所以要
将压力脉动图作为研究对象，对不同时间的压力变化数值进行记录和分析。

压力
不均匀度是造成压力脉动变化莫测的重要因素，所以要对气流脉动进行控制，还
要先计算压力不均匀度，将其作为管道设计的参考依据。

1.4 液击振动
液击振动产生的原因追根究底是管道内部液体流动速度发生变化。

速度发生
变化的原因有多种，比如生产装置调整过程中，阀门的开启会使液体流动速度受
到外界压力影响。

再如水泵和水轮机不能保持正常运行，液体流动动力或大或小，不能被正常提供，液体流动速度也会发生变化。

速度不均产生的后果是，直接导
致液体流动需要的动量发生变化，管道内液体受到的压力以及管道受到的压力也
不能保持稳定，液体在管道中会呈现一边流动，一边撞击管道内壁的现象，并且
发出很大的响声，严重情况下，管道会出现振动变形。

液击振动带来的管道承受
压力无论是变大还是变小，都会对管道造成变形或失稳的影响。

2 压力管道震动故障的预防对策
2.1 保证管道结构固有频率不一致
该预防对策主要针对气柱固有频率和结构固有频率一致造成的管道振动故障。

对于气柱固有频率来讲，其和压缩机的激振频率是保持一致的，在这样的基础上，不同管道的气柱一阶和二阶固有频率只有不相等，管道振动情况才会减少。

所以
要慎重选择机型，在已有机型的基础上，进行减振，主要采取使管道各方向尺寸
以及缓冲器容积数值与原来不一样的措施。

结构固有频率和支座型式以及位置有
很大关系，可以通过对这些因素进行调整，来使管道结构固有频率不会保持一致。

2.1 减少气流脉动现象
要减少气流脉动，除了要控制活塞运动速度外，更重要的是要对气流压力不
均匀度进行控制，使其向均匀度靠拢，此外，还要减少压力脉动带来的影响，使
压力变化小一些，基本上能保持一致，如此管道内部气流才稳。

具体的解决方法
主要有三种，其一缓冲器的使用。

当管道体系中的气流压力不一样时，管道内部
液体在流动中，要保证管道每一处，尤其是弯头结构不连续处的液体流动压力相
差无几，就要借助缓冲器，来发挥缓冲压力作用，使管道全程遭受的激振力能保
持一致，如此管道才会稳定，可以说缓冲器充当振动阻尼器的作用，其安装位置
在压缩机的换气口处。

其二设置气流脉动衰减器，将其安装在对应位置上，对减
小气流脉动带来的影响有益处，进而起到降压效果，作用效果的缓冲器一样，但
制作原理是不同的，该设备主要靠声学滤波原理制作出来的。

其三利用孔板，这
种器具主要安装在容器入口处，主要针对压力不均匀度而设，有这种器具的存在
管道内部气流全部都是压力小的行波，管道受到的激振力自然会降低。

2.2 消减液击
消减液击，主要保证管道内部液体流动速度保持均匀度，进而使管道内部受
到的压力是均匀的。

根据速度变化产生的原因进行分析，采取对应措施。

比如对
于阀门启闭现象，该现象是生产流程中必不可少的环节，但要注意阀门启闭的速度，不可过大，如此从外部进入的气体带来的冲击力就不会很强，对液体流动速
度以及管道内部气体流动产生的影响也会很小，
另外还可以减小管道长度，使速度变化的时间控制住，阀门在液击预防控制
上也具有很强的效果。

再如管道液击源产生，主要是液体动量变化引起的压力变化，所以要对动量进行控制，可以设置安全阀和蓄能器来泄能，将这些装置安排
在液击源附近。

蓄能器除了能吸收液击能量，还可以减少压力脉动带来的噪声影响。

这种蓄能器惯性小，可容纳的频率很低，一般以液压系统的形式存在。

在压
力管道振动试验中，可以利用噪声测试来判断管道受到激振力，以及管道受到的
压力作用大小。

2.3 其他解决对策
对于发生震动破坏影响的压力管道解决对策为对支撑结构进行焊接，在管道
容易受到激振作用的地方设置镇墩和加强设施，使管道连接处以及易断裂处的镇
固强度得到强化。

另外还要对管道本身质量进行检测，对于变形或有裂缝漏洞的
管道，要及时处理，该更新换代的更新换代，对于管道基础也要进行重新加固，
使其重新恢复密实度和平整度，以保证后期不会发生不均匀沉降。

对振动影响严
重的叶轮进行更换，使其能在管道流速降低控制上起到辅助作用。

叶轮作用稳定，对于机组振动减少也是有益处的。

对于断流设备进行检查和维护，对于阀门的内
部环境进行密封处理，使其真空环境得到修复。

结束语：
压力管道系统在整个管道系统进行流体运输过程中起着重要作用，外部土体
作用负荷和内部流体流动带来的压力直接作用在压力管道上，压力管道只有保证
在使用周期内不会出现任何故障，管道运输功能才不会受影响。

但在实际中压力
管道本身以及整个系统会出现很多故障，振动故障就是其中一种，这会使压力管
道在振动过度后，本身会出现裂缝，或连接部位不牢靠之类现象，直接导致管道
事故发生，使管道安全系数降低，这对广大群众来说是个安全隐患。

相关人员务
必要将压力管道振动故障作为分析对象，找到原因。

参考文献：
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[2] 唐永进.压力管道应力分析[M].中国石化出版社，2013.
[3] 韩润昌.隔振降噪产品应用手册[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2013.。