输液管道振动分析

2014-07-08徐城杰蒋韦锋李茂云

机械工程师 2014年9期

徐城杰，蒋韦锋，李茂云

（深圳中广核工程设计有限公司核岛所，广东深圳 518172）

0 引言

管道相连的机械设备振动或者管道内流体压力的脉动可以引起管道的瞬态或稳态振动。当振动超过一定限度的时候，可能使管道支吊架松动、螺纹松动、法兰连接失效、管线摩擦受损、设备移位、焊缝拉裂等［1］；而管道系统长时间的振动易引发管道疲劳受损，进而可能会导致管道开裂、管内流体泄漏及管道断裂。

本文在总结振动原因及减小振动的方法的基础上，梳理出面对管线振动问题时的解决思路，以期迅速找振动的原因并提出解决方案。

1 引起管道振动原因及相应特点

图1 管道振动的简化模型

管道振动是机械振动的一种，是管道与相连的设备、部件以及支承架构成的系统，在激振力下随时间而变化引起的问题。如果把激振力看成激发信号，管道的振动看成是对激发信号的响应，可用图1 表示管道受迫振动的简化模型。

1.1 管道振动激振力

因为管道系统组成的复杂性，引起管道振动的激励力也很多，一般是由与管道相连的机械设备（泵等）或管道元件（阀门、仪表等）振动引起的；管内部介质不稳定流动引起的；外界（如风、地震等）的激振力使管道振动等。其中管道内部介质流动引起管道振动是主要诱因。管道内部介质流动引起的振动又有多种情况（图2~图3），例如流体通过泵等产生的压力脉动、管道中的液体夹带气体或管道某些部位聚集气体引起气柱的振动、流体在流动过程中不稳定的汽化引起汽蚀振动、当阀门不为100%时流体经过阀门形成的漩涡导致阀门振动从而引起管道振动、湍流引起振动、阀门突然启闭引起的高速流瞬变冲击［2~7］。另外，当振动频率接近或等于管道的自振频率时，将会引起共振。

图2 压力脉动而引起的振动

图3 流体流过阀门时汽化

1.2 管道自身的抗振性能

如果激励力一定，管道振动的程度与管道系统的抗振性能有关。如果管道系统的阻尼大、抗振性能强，振动的现象就不明显。当然，如果仅仅考虑振动问题，对于所有的激振力，通过对管道系统增加约束，都会把振动限制在一定范围。但是，对管道系统来说，增加约束受到管道应力特别是热应力的限制，并不能随心所欲地增加。

2 振动是否可以接受的判定标准

管道振动是一种无法避免的现象，任何管道都会存在，只是有的振幅或频率太小，不能明显感觉到。对能够观察到的振动，有的也不会影响到管道系统的安全，因此在解决管道振动问题时，需要判断振动问题是否可以接受。关于管道振动的要求在ASME BPVC III、B31.1 都有定性的描述性要求。对于核电站的管道，美国的法规USNRC Regulatory Guide 1.68 和NUREG-0800 有专门的要求，另外ASME OM-S/G-2003 在法规的基础做了专门的规定［8］。

3 减小管道振动问题的方法

振动对于管道系统来说是一种交变动载荷，危害的程度取决于引起振动激振力大小和管道自身的抗振性能。因此，为了减少管道振动可以从这两方面来考虑。激振力是管道振动的根本原因，消减激振力是管道减振的首要任务。有时受实际情况限制，振源往往不能根除，振动难以避免。此时需从管道系统的结构特性考虑，增加管道系统的结构阻尼，提高管道系统的刚度，避开共振频率，以缓和振动、减轻振动的影响。

对于泵等设备振动引起的管道振动，可以通过增加限定设备振动、设备基础增加缓冲垫等方式减轻设备振动。

对于阀门突然启闭引起的高速流瞬变冲击而引起的振动，可以通过改进系统功能、阀门结构以降低阀门启闭速度来减轻水锤效应，从而减轻振动。

管道中的液体夹带气体，或管道某些部位聚集气体形成气柱振动，可通过分析气体存在位置，在高点增加排气管线，及时排走管道系统内聚集的空气。

流体在流动过程中不稳定的汽化引起汽蚀振动，通过改变管道布置走向、优化孔板设置等避免汽蚀发生，从而减轻振动。对压降过大的单级孔板，改为多级孔板，或者采用多个单级孔板分开布置以降低每次节流压降，防止汽蚀发生。

对于流体经过阀门形成的漩涡导致阀门振动从而引起管道振动、流体流过弯头弯管阀门等对管线的冲击引起的振动，一方面通过选取合理结构的阀门、优化管线布置尽量减少弯管弯头数量；另一方面，如果因为条件限制不能修改管线或阀门时，可以通过在管道上安装固定支架增大管道系统的刚度、增加管道系统的阻尼以缓和振动效应。

对于共振引起的振动，采用增加管道支吊架的方法，提高管道系统固有频率，以避免管道的共振，但同时需验证管道的应力。