管道振动分析技术：机械振动和流致振动

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　　管道振源

　　机械导致的振动分析

　　机械导致的管道振动主要有两种原因：

　　      · 通过管嘴直接传到管道;

　　      · 通过安装在橇装设备上的支撑或刚度低的基础传到管道上。


　　如果转动设备动平衡差，它的振动频率是旋转轴的转动频率;如果转动设备没有牢固固定在基础上，比如有某个螺栓没有固定好，它也会以旋转轴的频率振动;如果设备振动频率接近管道固有频率，管道发生振动，同时会放大泵或压缩机的机械振动。

　　激发频率：

　　分析时，确定主要振动频率和振动方向后进行管道结构谐响应分析，并进行评价。

　　流致振动分析

　　1、流体分析
　　主要内容：确定流体激振频率、激振力。

　　往复机、离心机出口的压力脉动

　　泵、压缩机以平均压力P输送流体，当叶片通过出口管嘴或活塞完成一个冲程，下游流体会出现一个正弦压力波动dP。连续排出的流体导致周期的压力P+dP沿着管子向下游传播，在方向改变或横截面变化的位置产生一个不平衡力。通常，离心机产生的力很小，除非管道柔性较大，一般不会导致管道明显振动，但对于往复机，将会产生明显的振动。

　　压力脉动频率

　　注：RPM为每分钟的转数;CPM为每分钟活塞完成冲程的个数。

　　分支处的湍流：

　　在流体剪切层，靠近壁面的流体流速低、远离壁面的流体流速高，在分支处流体剥离，形成涡流。涡流对支管内的流体产生周期性挤压，从而引起管道振动。涡流引起的压力波动也可能引起安全阀打开。

　　仪表套管等障碍物处的湍流：

　　流体在流过仪表套管等障碍物处，障碍物后方也会产生涡流，从而导致障碍物振动。

　　2、声学分析
　　主要内容：确定管内流体声学固有频率及声学响应。

　　声学固有频率：

　　简单管道：

　　一端声学开口，一端声学闭口：

　　两端声学闭口：

　　复杂管道：通过转移矩阵法或有限元法计算。

　　声学响应：

　　当涡流脱落频率与流体声学固有频率相同或接近时，流体便发生共振，支管内流体压力的不均匀度会达到一个极大值。

　　对于天然气，阻尼比非常小，当气柱发生共振时，声压值会放大上百倍。

　　声压分布

　　气柱共振时的激振力

　　3、管道结构振动分析
　　主要内容：通过ANSYS、CAESAR II等有限元分析软件进行管道受迫响应分析，计算振动幅值、交变应力。

　　振动评价

　　1、设计阶段
　　API618振动准则：
　　频率低于10Hz，许用振幅为0.5mm峰-峰值;频率在10～200Hz，许用振动速度约为32mm/s峰-峰值。

　　进行管道系统疲劳分析：

　　2、现场振动问题
　　经验图标：

　　结合现场振动测量数据，建立管道振动分析模型，进行疲劳分析，评价管道振动水平。

　　振动预防和缓解

　　1、对于机械导致的振动
　　      · 确保管道不发生共振;


　　      · 增加刚性支撑、防振支撑消减振动;


　　      · 管嘴处采用软连接，如波纹管或编织软管(受流体性质和压力的限值)。

　　2、对于流致振动

　　减小或消除流体激振：
　　      · 优化管道布置，尽量减少脉动的产生。


　　      · 设置导流板，减小或消除湍流。

　　控制管道结构固有频率：
　　使管道结构固有频率与流体激振频率错开，避免管道发生机械共振。尽量减少弯管、异径管等产生振动激振力的元件。

　　控制流体声学响应：
　　      · 尽可能避开低阶声学共振。
　　      · 设置脉动缓冲装置或提高脉动缓冲效果。

　　来源：《管道应力分析软件及工程实例专题培训》
　　作者：孙学军 中国石油管道局设计院