管道振动及其减振技术

1、|维普资讯 nttp:昭尔禎建釜工蛊学琳学授Vol 一 27 No. 5第“左隽W朋-109 -|维普资讯 nttp:-109 -|维普资讯 nttp:管道振动及其减振技术周一三 刘（工璀理诊研究浙摘要a本文阖述了管道振动的危害.分折了管遭掘动的源因.介绍:r管道减振的方注和措施.并提出了应进一步研兒的着干问題.关锥词骨遵；振动；厦振中国图书贲料分类号 TU31130引言在石油，化工等工矿企业中，广泛使阳管道输送流休.拄一定压力和流速的流悴作 用下，这些管道壁上均会产生流体动压力.非定常的管流会引起管道的振动，例如活塞 式压缩机、往复泵由于吸.排量的阖歇性、周期性使管流的压力、速度、密度等齧数

2、既随 位置变化，又隧时间变化。管流的压力、速度、密度等绥数随时间呈周期性变化的现象称 ”管流舐动J管流咏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的作用，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瘠命有一定的影响，严重的情况会造成不可预估的后果据加拿大 -位专家估计：工业先进的美国，因管道振动而遗成的损失毎年达100亿美元 以上.过去长期存衽着“重设备轻管道”的思想、认为工艺流程啓熟r设备先进就可以了* 而现在认识到生产装置中所发生的事故很大部分是管道引起的.一个良好的装置不仅工 艺流程成熟、设备先进，而很大程度取决于配管设计水平

3、的高低.国外早在刘年代就开始对管道振动问题进行探索研究.70年代初期，管谴振动收局日期:9$w-03-22周云男却岁博士生问題的研究取得了突醸性进展，并进入了实用阶段.我国在70年代中期，就开始了管 道振动问题的研究，目前已取得较奸成果I判.1 管這振动的危窖性分析石油、化工.电站等行业生产装畫中，管道纵横交叉、管网密布.由于离温、高压管 的脉动引起管道的振动，从而造成许多危害性.L管道的振动会使工作人员产生恐惧感、不舒适感和不安全感，分散操件人员的注 意力、診响工作效率，并容易产生擁柞失误、港威事故.世界石化工业100起特大财产毁损 爭件分析表明，由此引起的事故为19%.占第二位（第一位为机

4、械故摩）叫比强烈的管道振动会使骨道结构、管路附件产生疲劳破坏，特别是管道的连接部位 发生松动和破裂轻则引起泄漏，重则由破裂而引起爆炸、燃烧，造成严重事故.甚而 引起次生夾害.3引起基础和绝热材料的龟裂*d降低动力机械的效宰，引起額外的功率消耗，产生噪音.5.使工况变坏，导致如往复式压缩机、往复泵阀及阀片过早损坏，引起控制仅表失 灵等"总之.管道振动造成的危喜是多方面的，尤其对装宥高压气休、有奉代护、可燃气 体的管道振动是非常危险的.应当避免撮动的产生.2 管道振动的原因与机理xi引fiess动的原园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爲统，在 有擞振力的情

5、况下，这个系统就会产生振动.引起管道振动的原因有以下几方面：1. 机器动力平衡性能差以及基础设计不当而引起振动.不平衡的惯性力会引超主 机及基础振动，并进而牵动与此相连的管道及设备一起振动"2管道內流休流速过快"因而湍流边界层分离而产生涡流，引起振动.M管流脉动引超的振动.管道输液（气）需通过压缩机或泵加压作为动力，这种加 压方式是间琼性的，由于间隙加压，骨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.脉动状态的流津遇到弯管头、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澈振力，在这种徼振力件用下管道和附 属设备产生振动

6、。2.2 管道振动的机理研究管道振动时，要遇到两个振动系统，一个是管道结构系统，即从结构研究的角 度来确定结构对流休激发的响应；另一个是流障系统，即从流体研究的角度来确定流动 的规律和它对结构的厳发作用.现以流体系统为例进一歩说明.气柱振动系统在端点受 到激励后，会形成一定的振动.在往复式压缩机的管道系统中，靠近压缩机的一端，由 于往复式压缩机周期性间歌性地吸气和排气.气注受到一个持久的周期性的戳发作用. 在这个激岌件用下产生受迫振动，其结果使管道内的气休压力上下起伏，呈现脉动狀 -109 -| 维普资讯 h ttp:/态' 即产生所谓压力穌动'这一气压脉动在管道转弯赴亶径变化

7、的部位或通过控翻阀 等处.压力的脉动就会产生相应的随时间而变化的激振力锻发管道作机械掘动.对于下同的激发.气柱系统作出的响应是不同的*对于复亲的空间管道系耄会有多 处变截面和拐弯的地方，这陛部位将受到大小方向不同，相位各异且随时间变化的力的 作用*当激发力的频率与气柱固有频率之一相冋时，气柱会发生谐振.当r柱发生谐振 时"压力脉动将达到很大的值，产生很大的激振动，这自然如剧了管道振动*即使激振 力不变，当激振力的频率与机械结构的固有频率相重合时，管道也将发生机械共振，使 管道产生剧烈振动A讥3 管道减撮技术管遭的減振可以通泣两个途径加以解决：（1）控制管流的压力脉动，使其不产生谐 振

8、；（2）调整管系结构的固有频率，使其不产生机械撮动*34 消减气流脉动的方法34.1 调慕气柱固有频率，避开气拄共振管杀气柱固宥频率取决于管系的配管方式、长度、管径、容器容祝的大小和配置位 量、支管长度、支管位量'以及气体的种类和謳度等.改变管道和容器的尺寸以及它们的 配置方式，可以改变管系的气柱固宥频事.在配管设计时”根据工艺流程的需要做好配營初歩设计后应计算管系的气柱固有频 率*并通过调整，使它们不与激发频率重合以避免气柱共振"3,L2 压力脉动的控制气流眛动的消减，关键在于配管设计气在设计阶段满足工艺要求前提下，要 进行管系配量的充分计算*以便对管系案数作岀优化选择.例

9、如管径管长、蓉器大小、 配置位置、立管快度、立管位量等的选择.除进行气柱固有频率计算以避开管系气柱共振 外”还要进行气流眛动响应计算，找出压力不均匀度沿管的分布规律看看是否都在许 可值的范围内.压力脉动的控制煤搞好配管设计外，还可型在某些部位设量消振器以消诚和抑制压 力眛动.L缓冲器消振测缓冲器是消减气谎脉动最有效的措施之一.缓冲器有两种类型：一种是单容器缓冲 器；另一种是由繭个容器串接组成的肛型滤波器，如图所示.两种缓沖器在总容积 相等的条件下使用兀型滤波器前的脉动压力要高出単容器缓冲器的1借*而器后的脉动 压力约是单个容器的一半.所以，两种缓冲器的选屈，要看主旨在于消减器前的脉动.还是 消

10、减器后的脉动。JLJLJL"I_ri_n_r|维普贽讯 11叩：/7¥75/卩.8冋缓冲器的消振效果取决于缓冲器容积的大小和是否足够靠近弋缸.安放在气硕脉动 发源牡，即韋近压缩机气缸处的缓冲器是简单面有城的消振曲施4远离气缸的缓沖器， 往注起耶到颜期的缓冲效果.为此，使期缓冲甥时应尽可能傲到:(1)缓冲器容积足够 大；(习安裝位置足够慕近气6L.缓冲器进出口位置的选择对澹振效果有较大醪响°如图3所示.实践表明：(町消撮(a)33图3熬冲昨出口位赶对消擁效栗曲舉响_112 |维普贽讯 11叩：/7¥75/卩.8冋_112 |维普贽讯 11叩：/7¥

11、;75/卩.8冋一；乡_ *IMl一 图獰孤帳无怦忑他I檯有沁降低弋瓯 旨Wh尚无定型产品。何圧端BL体吒何*»»图5 集管器作用不显著；仙消娠救果比仙)提奇1520%； ©消抿教果比(b)提高23倍。2孔板消振吹当级冲器投鳴紧靠勺缸，耀冲履果不理想Pt特别是理缸与缓冲器间联接管为共振 管长时*衣缓种器法兰征，安装拾当尺寸的孔極。可以増畫製神效果.但应当注意的是 孔板的安装位量非诸重要，若孔板远离容器时，同样一映孔板簸果会拥差很多.孔板的 尺甘按下式确定(«4)： D h = 3 - 5式中加孔板内孔直径D管追内径；h 孔扳厚度(mm).孔板内径边缘处必

12、须保留锐制棱角，不得倒角，否则会 降低消振效果.孔板材抖应与管道材料相同+3、癢减器消振叭在缓冲幣内插人多孔管，使气流全部或部分从诸小孔穿过. 脉动.这种客孔曹的设计和配置，通常都采用实塑试凑法制作,4.集管器浦振闸几台井联运行的压缩机，対于排气骨而言*汇合的总管称为集订蠢.如图5所示.并联运行的压缩机（空气压缩机经堆是多台并联运行），集管器内来自各台圧缩机的 踪动由于不同相位互相迭加，会使集管器内的脉动强度过大，当集管器的设计尺寸不 当时会出现强烈振动，解抉的方法是使集管器進浦.面枳满足如下关系：L 式中；$集管器的通流面积；& 第（抿流人管的通流面积.根据国外学者建议呦，集管器的通

13、流面积不应小于进气管通流面积之和的3倍。穿膛式液流脉动消振器期穿膛式液流脉动消振器是一个效果优良的消振装量.由立式空腔圆筒和滤波管两部 分组成，空腔國简上面部分充満气棒.下面部分滋流穿膛而过（所充气体不得号液体起 化学反应），如图6所示.在伸人消振器腔內的人口管的臨部，安放一块孔板.管壁则 钻有排列不规则的小孔形成滤披管.孔板内径取：%= 0,25式中：d 人口管的内径.U）三柱富覃 Q）清振建C5JA 口涯诜舊（盼充人的气佯图6 高压從复泵管耒及消振密给构管壁上小孔数目，按小孔的总面积与孔板逼流面积之和略大于邈液管的通流面积 来取。穿膛式液流脉动清振黠的潸振机理是隔撮型的，充人的气体提供了眾

14、柔软的弹畫作 用，使后继管内的液柱与振源隔离.滤波管对脉冲液流起着良好的抑制作用；后继管戒 流脉动是典型的受迫振动.避开共振.使振动处于高频域内是消振番设计的一个关键， 为使消振器有较好的消振效果"应该使固有頻率远比激发频率为低，同时应使消振养尽 可能的靠近泵的缸体.工2 消減管系结构振动的措旌L控制骨系的固有频率（1）对于低温管道进行配管设计时，一般控制其固有频率为20Hzfl（2）对于高温、商压管道进行配管设计时，一般控制其固有频率为10Hz.2, 修改结构齧数改变结构鑫数可以改变结构的固有频率达到械振目的.M诫小弯头数和加大管道转弯角度_112 | 维普资讯 h ttp:/在压

15、缩机管系的运行中，其激振力主要产生于弯头和拝径管的接头处，因此在管道 的安装中应尽量减少弯头的僮用，使管道走向平宜以滅少激振力数目又因弯管处的激 振力与转弯之角度相关.域小转弯肃度可以增强减掘效果.4,调薑支承位置和支承刚度适当调鑒支承位置和支承刚度，僅管系各阶固有频率避开磁发频率，以避免机械共 振的产生.5.采用管道减振器或懑压式阻尼器4 结语管道振动是一个非常复亲的问題，要做好管道的减振必須综合考虑各种因素，处理 好各类矛盾，切勿顾此失彼.例如当盲目进行配管设计时，气柱和结构可能都处干或接 近共振状态，而导致试运转阶段即遭失竝或不能正常运转.加固或增设管系支撑点能显 著提高系统的剛度、改变

16、振动特征，但强固支承并不能改变压力脉动引起的激振力，这 就是为什么加固管道支承后，振幅虽有所降低但经历一段时间后支承会振裂的原因.管 道热应力与管道减振是一对矛看，为厲足管道热应力.希望管道刚度较小，而管道减振 则希望管系刚度越大越好，因此，设计热管道时要处理好这对矛盾.找出最隹设计 方案.总之，虽然目前巳提出了一些解决槪道振动的方注和措施，但是管道的减振技术还 不够完善.还有待进一步研究和探索*如：(1) 对不同管道系跣计算模型利计算方法进行对比分析，建立更加舎理的力学模 型，使过于简化的力学模型得到进一涉的补充和完善，提出更加精礁、符合实际的计算 方法。(2) 对够响管道系统的各种鑫数逬行

17、综合分析、比较，以确定影响管道系统动态特性的 主要秦数及其影响规律。(?)应用优化理论进行管道系统分析与设计，建立实用的配管优化设计方法，编制 相应的程序软件“(4) 研究开发实用经矫、有敕的管道减據器*(5) 建立带有减振器的管道系统分析模型与分析方法，编制相应计算软件*(6) 根据管道诫振技术的研究成果及工程实践，建立控制管道振动的有关标准"餐老文截1王勇.人白世界石化工业】00起待大财产毁描事件.石油规划设计T 1992(1-3)2 吳動動.雷国琰.关于输龍管逋系規的研究进展与筠向.丈学逬展门知札】)3 党锡瞋資劲玲.工程中的管道振豹冋題，力学与冥践，1993(4)4收振埶与冲

18、击手册血编辑委曲会，撮动与种击手遇.第三卷(工程施用).国酚工业出脈社丫 19925 夺口修生编，尹传家译.振动工卷大全(下册).机楝工业it版社匚19S61J3l6 怕野元直主编，挙明昭毋逢"土木王程振动手務.中再铁道出版社+】9927 张阿舟，姚起航.按动控制工程.軾空工业出版社、19898 Scngh, R. and Sodcl W. A Review of Compressor Lines Pulsation Anal>5i& and MuOer Design Research. Pmdue Cotnpnsscr Technology Confereoce, 19749 党矚淇.陈寄五等.孔板消感气潦脉动的机理分析.西安交通大樂学报.1979辺10 Ioo»* D.E“往复武压缩机管道茶躱的设计.压端机技术,1976(1)】陈守五黄幼玲.蔡團血.穿當式液潦咏动涓振器的机愆研死.西安交筑大学学报，1934()Vibration and Damping of Piping SystemsZhou Yun