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

 

 

 

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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。

 

 

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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

 

 

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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

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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：

 

 

 

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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

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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）。

 

 

 

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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。