沈勇

【摘要】本文從氣流脈動(dòng)與共振現(xiàn)象兩個(gè)方面分析了化工裝置中管道振動(dòng)機(jī)理，分析管道振動(dòng)的原因及解決方式；并以筆者參與的化工項(xiàng)目在開(kāi)車(chē)后出現(xiàn)的局部管道的振動(dòng)問(wèn)題為例進(jìn)行分析，提出消除振動(dòng)的有效措施。

【關(guān)鍵詞】化工裝置 管道振動(dòng) 減振措施

壓力管道是化工裝置中不可缺少的部分，壓力管道的安全問(wèn)題也日益突出，如管道應(yīng)力問(wèn)題。管道應(yīng)力直接關(guān)系到管道自身和與其相連的機(jī)器、設(shè)備、土建結(jié)構(gòu)的安全，由于管道材料本身特有的物理屬性，反應(yīng)條件及環(huán)境帶來(lái)的物理及化學(xué)上的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?duì)正常的工作生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。其中管道振動(dòng)現(xiàn)象是在管道應(yīng)力分析中是一個(gè)比較突出的問(wèn)題。

1 基本情況

2 管道振動(dòng)原因分析

根據(jù)管道振動(dòng)理論，管道、支架和相連設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在有激振力的情況下，這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)對(duì)壓力管道是一種交變動(dòng)載荷，其危害程度取決于激振力的大小和管道自身的抗振性能。主要影響因素如下：

（1）風(fēng)荷載引起的管道振動(dòng)；

（2）地震荷載引起的管道振動(dòng)；

（3）兩相流引起的管道振動(dòng)；

（4）水錘引起的管道振動(dòng)；

（5）喘振引起的管道振動(dòng)；

（6）機(jī)械振動(dòng)引起的管道振動(dòng)；

（7）往復(fù)壓縮機(jī)和往復(fù)泵引起的管道振動(dòng)。

本裝置由于采用的為離心泵，所以由容積式泵或者壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)不予考慮。經(jīng)過(guò)了解泵在開(kāi)車(chē)后運(yùn)轉(zhuǎn)良好，泵本身未發(fā)生自身振動(dòng)，因此，由機(jī)器引起的振動(dòng)也可以排除。筆者在現(xiàn)場(chǎng)觀察時(shí)也未聽(tīng)到明顯的水擊聲，所以水錘也基本排除；喘振多發(fā)于低速低流量，所以也予以排除。

2.1 從外在荷載影響著手

表1為用CAESAR靜態(tài)模擬后振動(dòng)段管道的幾個(gè)支架所受的力及熱位移。表中的數(shù)據(jù)已經(jīng)考慮了風(fēng)及地震荷載，由于風(fēng)及地震荷載引起的振動(dòng)一般表現(xiàn)為很強(qiáng)的隨機(jī)性，而現(xiàn)場(chǎng)為持續(xù)振動(dòng)。同時(shí)根據(jù)CAESAR模擬后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)一次應(yīng)力校核，由風(fēng)荷載產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)此段管道的影響應(yīng)該是有限的，但不排除其產(chǎn)生的影響。

2.2 從考慮管道物料的脈動(dòng)，流速及共振著手

管道內(nèi)的物料溫度呈泡點(diǎn)狀態(tài)，換熱器到離心泵出口有13m高差。泵的變頻使得流速加快，使得物料流產(chǎn)生波動(dòng)。而當(dāng)中的管道較長(zhǎng)，溶液流速高，阻力較大，呈湍流態(tài)。當(dāng)其流經(jīng)數(shù)個(gè)彎頭及閥門(mén)和管件時(shí)產(chǎn)生的壓降，部分物料極容易由于壓降而汽化，且當(dāng)其通過(guò)閥門(mén)等節(jié)流部位時(shí)將不可避免會(huì)產(chǎn)生“空穴”現(xiàn)象，進(jìn)而也造成壓力波動(dòng)，產(chǎn)生兩相流現(xiàn)象。

管路內(nèi)的氣體稱(chēng)為氣柱，它具有一定的質(zhì)量和彈性，可以壓縮和膨脹。氣柱本身具有的頻率稱(chēng)為氣柱固有頻率。在工程上常把（0.8～1.2）f的頻率范圍作為共振區(qū)。當(dāng)氣柱固有頻率落在激發(fā)頻率的共振區(qū)內(nèi)時(shí)，發(fā)生氣柱共振，產(chǎn)生較大壓力脈動(dòng)。管系機(jī)械固有頻率落在激發(fā)頻率的共振區(qū)或氣柱固有頻率的共振區(qū)時(shí)，發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。

通過(guò)CAESAR軟件模擬計(jì)算，換算成頻率后發(fā)現(xiàn)剛好在共振區(qū)（見(jiàn)表2），改變流量就有可能改變激發(fā)頻率，進(jìn)而避開(kāi)共振區(qū)而使振動(dòng)減小基于這一觀點(diǎn)，后來(lái)開(kāi)車(chē)測(cè)試流量降回設(shè)計(jì)值時(shí)振動(dòng)果然減弱了。雖然只是測(cè)試性質(zhì)的，但考慮將來(lái)的擴(kuò)產(chǎn)等因素，這并不能從根本上解決振動(dòng)問(wèn)題。徹底解決管道振動(dòng)的途徑可采?。焊淖兗ぐl(fā)頻率或管道的固在頻率從現(xiàn)場(chǎng)工藝條件來(lái)看，改變激發(fā)頻率較困難，但改變管道的固有頻率則是可能的。

改變管道的固有頻率；根據(jù)振動(dòng)理論。復(fù)雜管系的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

[M]{X}+[C]{X}+[K]{X}={f}

式中，[M]為總質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為總剛度矩陣，{f}為干擾力向量，{X}為位移向量，{X}為速度向量，{X}為加速度向量。

由式中可看出，要改變管道系統(tǒng)的振動(dòng)特性，在{f}不變的前提下只能改變其中的[K]、[M]和[c]，但改變[M]和[c]都較困難，只有改變[K]容易實(shí)現(xiàn)，通過(guò)增加系統(tǒng)的剛度矩陣[K]，如增設(shè)支承、調(diào)整支承位置或改變支承性質(zhì)。通過(guò)改變管道支承性質(zhì)，縮短支承點(diǎn)距離使管道固有頻率提高；變彈性支承為剛性支承管，均會(huì)使固有頻率加大，以達(dá)到消振的目的。因管道較復(fù)雜，欲使管道系統(tǒng)脫離某階共振區(qū)雖然可以做到，但狀態(tài)不穩(wěn)。從振幅的計(jì)算結(jié)果看，基頻共振振幅最大，高階共振的振幅較小，所以避開(kāi)低頻共振才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。目前的做法有：調(diào)整管道的走向、支承位置、支承結(jié)構(gòu)及管道結(jié)構(gòu)尺寸等，將系統(tǒng)的固有頻率調(diào)高到激振力主頻率的2.8～3.0倍以上。對(duì)管道的走向和結(jié)構(gòu)尺寸，由于現(xiàn)場(chǎng)條件和工藝條件的限制無(wú)法改變，同時(shí)考慮可能存在的兩相流因素，則通過(guò)改變約束條件來(lái)改變系統(tǒng)的固有頻率是最為經(jīng)濟(jì)和合理的。故此，在128節(jié)點(diǎn)增加四個(gè)方向的限位管架，把136的彈簧支架改為剛性支撐，再用軟件模擬計(jì)算管系受力情況，及固有頻率和振型。改動(dòng)后見(jiàn)圖2。

圖2 改造后模型

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)增加及改變管道支撐等實(shí)際操作后，管道振動(dòng)狀況已經(jīng)明顯好轉(zhuǎn)，由于物料飽和態(tài)為工藝需要，無(wú)法改變，所以管系尚有輕微顫動(dòng)，但振幅已經(jīng)明顯降低，管道振動(dòng)的改變方案是基本成功的。

參考文獻(xiàn)

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