工业气体管道振动分析及减震方案

岁月

　　在石油、化工、冶金、动力等部门中应用最为广泛的是往复式压缩机，而往复式压缩机应用时最为常见的是问题管道的脉冲振动。一般来说，当压缩机排气量较小时，管道直径小，脉冲振动小，是比较容易加固的。但如今随着工业发展对能源介质需求量的日益提高，增加了压缩机排气量和脉冲振动，管道的许多固定问题也因此日益突出。例如：强烈的管道振动加速了管路附件的磨损和松动;振动所产生的交变应力作用导致疲劳破坏，严重的话也会引起生产事故和环境污染。
　　1. 引起管道振动的原因
　　管道振动主要是由共振引起的，而共振也可以分为以下三类：
　　1.1气柱共振
　　气柱指的是管道系统内所容纳的气体。由于气体的可以压缩、膨胀的特性，可以将其看作一个类似弹簧的，具有一定的固有频率的振动系统。在压缩机的运行过程中，吸、排气是交替和间断性的，其引起的管道内气流速度与压力呈周期性变化，另外活塞运动的速度也是随时间而变化的，这样就很容易引起压力脉动。当压力脉动的频率和管道系统的气柱自振频率相等或相近时，系统即产生对应该阶频率的共振，当压缩机的激发频率进入气柱固有频率的区域时，就会引起强烈的气柱共振，气流脉动非常严重，引起管道甚至压缩机和基础的强烈振动，导致气阀损坏乃至整个机组及管路的振动加剧。
　　1.2管道机械共振
　　其实管道本身也是一个弹性系统，具有一定的固有频率。引起管道振动的主要原因是管道的脉冲振动和回转设备的不平衡。管道的机械共振一般都是在当激发频率与某阶固有频率相等或相近时发生。由回转设备的不平衡所引起的振动会传递给与它相连的管道，如果被传递的这个振动的频率与管道的固有频率接近，就会引起管道系统产生机械共振，会直接导致管路及连接处的损坏。
　　1.3管路机械共振
　　管路结构振动系统内管路附件、容器、支架等结构系统在受到激发后就会作出机械振动响应，这也是引起管道振动的一个重要原因。管路的机械振动系统也有其固有频率。当激发频率与某一阶机械振动固有频率相重合或接近时，则管路系统将形成强烈管路机械共振。
　　2.管道的减震与消振措施
　　决定压缩机管道系统内各点的压力脉动和振动的因素主要包括以下三个：
　　(1) 被压缩介质的物理参数，包括分子量、绝热指数、温度和压力等。 (2) 压缩机参数，主要包括缓冲器容积、转速、活塞冲程、连杆长度、气缸直径、压力和温度等。(3)系统的几何配置情况，此因素也是由多方面所决定的，例如各个管段的长度、外径、壁厚、走向，分支管的位置，阀门的安装位置及其重量，外形尺寸还有各支撑的设置位置和刚性等。
　　2.1减震措施
　　2.1.1减小气流脉动减振
　　减小气流脉动的方法比较多，例如设置缓冲器。在缓冲器内安装一个芯子元件，可以有效地衰减压力脉动，而且一般都能得到比较理想的效果。
　　2.1.2设置缓冲器减振
　　设置缓冲器，不仅能降低气流脉动的幅值，而且还可以改变管系气柱的固有频率，但与此同时，缓冲器的容积大小和安放位置也是不可忽略的重要因素，一般将其安装在气流脉动的发源处时的减振效果最佳。
　　2.1.3调整管路固有频率减振
　　避开共振、消除压力脉动对提高压缩机装置的工作性能和可靠性具有重要意义。可以通过改变调整管路的走向、支撑位置、管路结构尺寸等方式，调整管路的固有频率。除此之外，也可以采用缓冲罐等设备来减小压力脉动的强度，以达到消除或减少振动的目的。
　　2.1.4调整压缩机平衡度减振
　　为使压缩机主机平稳地运转，可以调整压缩机平衡度。其具体措施是在振动比较严重的管路上安装附加重量，以改变振动系统的自由度及固有频率值。
　　2.1.5减少管路弯头数量减振
　　尽量避免急转弯，减少管路弯头的数量，同时还要对弯头的圆孤半径进行固定，以避免空间转弯。这样可以通过减小产生激振动场所来缓解机械振动。
　　2.1.6优化管道结构尺寸或布置减振
　　压缩机主要工艺管道的分支以及变径处应利用一些强度足够高的管件，因此通过利用标准管件来达到这个目的。但是也有些地方不能使用标准管件，例如仪表管嘴或三通等，同时这种管系也不宜采用螺纹连接，为确保减振的顺利进行，应适当采取一些有效地补强措施。由于支管较小，较易发生振动，在支管处也应金凤凰网博客装有适当的支撑。另外，放空、排凝、阀门、仪表管道等应尽可能安装在距离主管较近的地方。
　　2.2 消振措施
　　对于压缩机来说，气流脉动和管道振动是无法避免的，因此一些减振和消振措施只能尽可能地把机组和管路系统的振动控制在一定范围内，尽量保证管系长周期的安全使用，却没有办法做到完全的、真正意义上的消振。消振措施有很多，主要有以下几个方面：
　　2.2.1 增设管架
　　增设管架对于一些因激振力过大或者机械共振引起的管路振动是比较有效果的。对于增设管架措施的要求包括以下几个方面：
　　(1)尽可能将管架和管卡设置在振动源点和振幅最大的地方。
　　(2)将管卡设置在靠近弯头的两端、管路三通交叉处的3个支管上等部位。对于管卡的设置，不能只强行固定在某一点，而是应该为了尽可能降低管道的附加应力多点分散固定。
　　(3)对于管道与管道、管道与管架、管道与紧固螺栓等易产生振动的位置，为了尽量减少或防止其直接产生摩擦造成噪音和摩擦裂纹而使管路损坏，可以通过在支架上用木块、石棉橡胶板、石棉或其他材料作为减振垫隔离垫，从而减少金属之间的摩擦。
　　(4)将管道固定的位置保持为其自由状态，切忌强力固定而增加附加应力。
　　2.2.2 改变管线的固有频率消振
　　只要压力脉动的频率及其倍频与管线的固有频率不相吻合，就可以做到改变管线的固有频率。其具体措施可以在现有支承架与管子的中间垫上防振橡胶垫。
　　2.2.3 应用消振孔板消振
　　消振孔板是一种可以阻止装有孔板的管端的反射行波的阻力元件，也可以减少振幅，避免管道内形成驻波。其作用原理是将适当尺寸的孔板加装在容器合适的地方。对于容器来说，如果脉冲较大的是入口管，则孔板应安装在入口处，如果脉冲较大的是出口管，则应安装在出口处。孔板和大容器在一起作用，就可以达到使管道尾端不再具有反射条件，且将原管道内所存在的驻波转变成行波的目的，这样也有效地降低了管道中的压力脉动不均匀度，从而实现了减振甚至消振。
　　2.2.4 改造管路系统设计消振
　　这种方法可以用于复杂管路系统，它的结构比较复杂，一般是由多孔管及膨胀室组成的。当弯头过多引起激振力过大或气柱共振等问题时，可以考虑改变管路系统的布置以达到减少振动的目的，这样还可以保证在很宽频带内使压力脉动平稳。
　　2.2.5 缓冲罐消振
　　目前最简单有效的消振措施就是缓冲罐。它直接连接在发生振源的气缸，利用足够大容积的罐体，直接缓冲了从气缸出来的气体，也同时增大了气流脉动的阻尼系数。
　　结语：管道振动研究是一项极其复杂且专业化的问题。只有综合考虑到各种各样的因素，尽量处理并协调好各因素之间的矛盾，才能顺利要做好管道的减振工作。目前随着我国经济水平的不断发展，对能源的需求量也在不断增加。因此国家不得不扩大能源的的开发与供应能力，因此对工业气体管道振动的分析及其控制措施的研究是具有非常重要的意义的。
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