压力管道振动原因分析（课堂PPT）

1、1压力管道振动原因分析压力管道振动原因分析 2概述 管道振动是一种常见的现象,严重的振动会加速裂纹扩展,威胁系统的安全运行。在压力管道设计中,分析、研究各种影响管道振动的因素,掌握其对管道破坏的规律,采取一些必要的措施,将管道振动控制在一 定的范围内,为系统安全运行提供保证是十分必要的。31、压力管道的振动分析、压力管道的振动分析 根据管道振动理论，管道、支架和相连设备构成根据管道振动理论，管道、支架和相连设备构成了一个结构系统，在有激振力的情况下，这个系统了一个结构系统，在有激振力的情况下，这个系统就会产生振动。管道振动分为两个系统：一个是来就会产生振动。管道振动分为两个系统：一个是来自系统

2、外；另一个是系统自身。自系统外；另一个是系统自身。41.1来自系统外的振源来自系统外的振源S 1 1.1.1.1.1地震：地震对管道的安全运行有很大地震：地震对管道的安全运行有很大的影响的影响, ,损坏的程度有多种因素损坏的程度有多种因素, ,如震级、地质、如震级、地质、管道材料、管道敷设方向与地震波方向的相对关管道材料、管道敷设方向与地震波方向的相对关系、连接结构形式等。系、连接结构形式等。51 1. .1 1.2.2风力干扰风力干扰 风力干扰会使管道振动风力干扰会使管道振动, ,大都是非定时的、大都是非定时的、随机性的激振源随机性的激振源, ,只要管道固定牢固只要管道固定牢固, ,一般不会

3、引一般不会引起大面积的或十分激烈的管道振动。起大面积的或十分激烈的管道振动。61 1. .1 1.3.3其它非定时的、随机性的激振源其它非定时的、随机性的激振源 此类非定时的、随机性激振源的干扰会使管此类非定时的、随机性激振源的干扰会使管道振动道振动, ,排除排除过激的人为因素影响过激的人为因素影响, ,只要管道固定只要管道固定牢固牢固, ,一般也不会引起大面积的或十分激烈的管道一般也不会引起大面积的或十分激烈的管道振动。振动。71 1.2.2来自系统自身的振源来自系统自身的振源S 1.2.1气体固有频率：气体固有频率：由于气体具有可压缩性，由于气体具有可压缩性，当压力高时，体积变小，密度变大

4、，当压力低时，当压力高时，体积变小，密度变大，当压力低时，体积增大，密度变小，气柱具有弹性性质。当管体积增大，密度变小，气柱具有弹性性质。当管内气柱受到干扰，象金属结构一样会发生自由振内气柱受到干扰，象金属结构一样会发生自由振动，其频率称为气柱固有频率。气柱的固有频率动，其频率称为气柱固有频率。气柱的固有频率与气柱性质、绝热指数和气体常数有关。当压缩与气柱性质、绝热指数和气体常数有关。当压缩机运动频率与气柱固有频率，或管道系统的固有机运动频率与气柱固有频率，或管道系统的固有频率相等或相近时，会发生共振。频率相等或相近时，会发生共振。8S 1.2.2压压力的力的脉动：压力脉动通常用压力不均匀脉动

5、：压力脉动通常用压力不均匀度度（delta）这个参数加以描述。如以）这个参数加以描述。如以Pm表示压表示压力的平均值，力的平均值，（PmaxPmin）/Pm。例如当压例如当压力为力为320大气压时，若压力不均匀度为大气压时，若压力不均匀度为8%，它在，它在内径为内径为60MM的的90弯管处形成的激振力幅值可弯管处形成的激振力幅值可达达5020N。对于一个复杂的空间管道系统，会有。对于一个复杂的空间管道系统，会有多处变截面和拐弯的地方，这些部位都将分别受多处变截面和拐弯的地方，这些部位都将分别受到大小方向不同，相位各异且随时间而变化的力到大小方向不同，相位各异且随时间而变化的力的作用。的作用。9

6、左左图示出了活塞式压缩机的PV曲线。示出了膨胀、吸气、压缩、排气四个阶段的压力变化规律。造成吸气管和排气管内气体压力发生波动，引起振动。压力波动的大小用压力不均匀度表示：%100minmaxmPPP10S 1.2.3液击振动。液击振动。S管道内的流体压力迅速上升或下降，并伴有液体的锤击声音，这种现象就叫液击。液击造成管道内的压力产生很大变化，突然压力升高可使管子爆裂，突然降压可形成管内负压可使管子失稳。液击还导致振动、发出噪音、严重影响管道系统的正常运行 111.2.4 机械固有频率。管系是连续弹性体，机械固有频率。管系是连续弹性体，存在结构固有频率。存在结构固有频率。1.2.5管道内流体流速

7、过快，形成湍流引起振管道内流体流速过快，形成湍流引起振动。动。 122 减少和防止压力管道振动的措施减少和防止压力管道振动的措施2.1改变管道的固有频率改变管道的固有频率：根据振动理论，一个机械根据振动理论，一个机械系统的多自由度振动方程可用矩阵微分方程式表示系统的多自由度振动方程可用矩阵微分方程式表示式中：式中：M质量矩阵；质量矩阵； X节点位移矢量；节点位移矢量；C阻尼矩阵；阻尼矩阵；K刚度矩阵；刚度矩阵；F为干扰力及激振力矢量。为干扰力及激振力矢量。13由上式知，要改变管线系统的振动特性，可考虑：由上式知，要改变管线系统的振动特性，可考虑：(1)在管道系统上加装平衡块，改变质量矩阵在管道

8、系统上加装平衡块，改变质量矩阵M，以，以改变系统固有频率，避免共振发生。改变系统固有频率，避免共振发生。(2)改变系统的阻尼矩阵改变系统的阻尼矩阵C，如在管道的固定支撑的，如在管道的固定支撑的部位放置金属弹簧、橡皮或软木等，以达到隔振、部位放置金属弹簧、橡皮或软木等，以达到隔振、消振的目的。消振的目的。(3)通过增加系统的刚度矩阵通过增加系统的刚度矩阵K，如增设支承、调整，如增设支承、调整支承位置或改变支承性质。通过改变管道支承性质，支承位置或改变支承性质。通过改变管道支承性质，缩短支承点距离使管道固有频率提高；改悬臂管为缩短支承点距离使管道固有频率提高；改悬臂管为两端简支管，变弹性支承为刚性

9、支承管，均会使固两端简支管，变弹性支承为刚性支承管，均会使固有频率加大，以达到消振的目的有频率加大，以达到消振的目的 142.2消减气流振动消减气流振动(1)调整气柱固有频率，避开气柱共振。气柱固有频调整气柱固有频率，避开气柱共振。气柱固有频率取决于管系的配管方式、长度、管径、容器容积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以及气体的种类和温度等，改变的大小和配置位置以及气体的种类和温度等，改变管道和容器的尺寸以及配置方式，可改变管系的气管道和容器的尺寸以及配置方式，可改变管系的气柱固有频率。在配管设计时，根据工艺流程的需要柱固有频率。在配管设计时，根据工艺流程的需要做好配

10、管初步设计后，应计算管系的气柱固有频率，做好配管初步设计后，应计算管系的气柱固有频率，并通过调整，使它们不与激振频率重合以避免气柱并通过调整，使它们不与激振频率重合以避免气柱共振。共振。15S(2)降低脉动压力强度。工程中在压缩机管系靠近降低脉动压力强度。工程中在压缩机管系靠近汽缸进出口处设缓冲器，使脉动压力不均匀度降汽缸进出口处设缓冲器，使脉动压力不均匀度降低。另外孔板是气流阻力元件，设孔板是现场管低。另外孔板是气流阻力元件，设孔板是现场管道消减振动的有效方法之一。同时在管道内安装道消减振动的有效方法之一。同时在管道内安装声学滤波器等，以控制气流脉动，达到消振的目声学滤波器等，以控制气流脉动

11、，达到消振的目的。的。163.3合理设计管道系统合理设计管道系统(1)因管道较复杂，欲使管道系统脱离某阶共振区虽因管道较复杂，欲使管道系统脱离某阶共振区虽然可以做到，但状态不稳。而从振幅的计算结果看，然可以做到，但状态不稳。而从振幅的计算结果看，基频共振振幅最大，高阶共振的振幅较小，所以避基频共振振幅最大，高阶共振的振幅较小，所以避开低频共振才是解决问题的关键。具体方法包括调开低频共振才是解决问题的关键。具体方法包括调整管道的走向、支承位置、支承结构及管道结构尺整管道的走向、支承位置、支承结构及管道结构尺寸等。将系统的固有频率调高到激振力主频率的寸等。将系统的固有频率调高到激振力主频率的2.83.0倍以上。工程中由于现场条件和工艺条件倍以上。工程中由于现场条件和工艺条件的限制，对管道的走向和结构尺寸无法改变，只有的限制，对管道的走向和结构尺寸无法改变，只有通过改变约束条件来改变系统的固有频率。通过改变约束条件来改变系统的固有频率。17(2)管道弯头应避免急转弯。在压缩机管系中，激振管道弯头应避免急转弯。在压缩机管系中，激振力主要产生于弯头和异径管的接头处。因此在管道力主要产生于弯头和异径管的接头处。因此在管道的安装中应尽