工業(yè)氣體管道振動分析及減震方案
2022-12-22 15:37:28
在石油、化工、冶金、動力等部門中應(yīng)用最為廣泛的是往復(fù)式壓縮機，而往復(fù)式壓縮機應(yīng)用時最為常見的是問題管道的脈沖振動。一般來說，當壓縮機排氣量較小時，管道直徑小，脈沖振動小，是比較容易加固的。但如今隨著工業(yè)發(fā)展對能源介質(zhì)需求量的日益提高，增加了壓縮機排氣量和脈沖振動，管道的許多固定問題也因此日益突出。例如：強烈的管道振動加速了管路附件的磨損和松動;振動所產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用導(dǎo)致疲勞破壞，嚴重的話也會引起生產(chǎn)事故和環(huán)境污染。
1.引起管道振動的原因
管道振動主要是由共振引起的，而共振也可以分為以下三類：
1.1氣柱共振
氣柱指的是管道系統(tǒng)內(nèi)所容納的氣體。由于氣體的可以壓縮、膨脹的特性，可以將其看作一個類似彈簧的，具有一定的固有頻率的振動系統(tǒng)。在壓縮機的運行過程中，吸、排氣是交替和間斷性的，其引起的管道內(nèi)氣流速度與壓力呈周期性變化，另外活塞運動的速度也是隨時間而變化的，這樣就很容易引起壓力脈動。當壓力脈動的頻率和管道系統(tǒng)的氣柱自振頻率相等或相近時，系統(tǒng)即產(chǎn)生對應(yīng)該階頻率的共振，當壓縮機的激發(fā)頻率進入氣柱固有頻率的區(qū)域時，就會引起強烈的氣柱共振，氣流脈動非常嚴重，引起管道甚至壓縮機和基礎(chǔ)的強烈振動，導(dǎo)致氣閥損壞乃至整個機組及管路的振動加劇。
1.2管道機械共振
其實管道本身也是一個彈性系統(tǒng)，具有一定的固有頻率。引起管道振動的主要原因是管道的脈沖振動和回轉(zhuǎn)設(shè)備的不平衡。管道的機械共振一般都是在當激發(fā)頻率與某階固有頻率相等或相近時發(fā)生。由回轉(zhuǎn)設(shè)備的不平衡所引起的振動會傳遞給與它相連的管道，如果被傳遞的這個振動的頻率與管道的固有頻率接近，就會引起管道系統(tǒng)產(chǎn)生機械共振，會直接導(dǎo)致管路及連接處的損壞。
1.3管路機械共振
管路結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)內(nèi)管路附件、容器、支架等結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在受到激發(fā)后就會作出機械振動響應(yīng)，這也是引起管道振動的一個重要原因。管路的機械振動系統(tǒng)也有其固有頻率。當激發(fā)頻率與某一階機械振動固有頻率相重合或接近時，則管路系統(tǒng)將形成強烈管路機械共振。
2.管道的減震與消振措施
決定壓縮機管道系統(tǒng)內(nèi)各點的壓力脈動和振動的因素主要包括以下三個：
(1)被壓縮介質(zhì)的物理參數(shù)，包括分子量、絕熱指數(shù)、溫度和壓力等。(2)壓縮機參數(shù)，主要包括緩沖器容積、轉(zhuǎn)速、活塞沖程、連桿長度、氣缸直徑、壓力和溫度等。(3)系統(tǒng)的幾何配置情況，此因素也是由多方面所決定的，例如各個管段的長度、外徑、壁厚、走向，分支管的位置，閥門的安裝位置及其重量，外形尺寸還有各支撐的設(shè)置位置和剛性等。
2.1減震措施
2.1.1減小氣流脈動減振
減小氣流脈動的方法比較多，例如設(shè)置緩沖器。在緩沖器內(nèi)安裝一個芯子元件，可以有效地衰減壓力脈動，而且一般都能得到比較理想的效果。
2.1.2設(shè)置緩沖器減振
設(shè)置緩沖器，不僅能降低氣流脈動的幅值，而且還可以改變管系氣柱的固有頻率，但與此同時，緩沖器的容積大小和安放位置也是不可忽略的重要因素，一般將其安裝在氣流脈動的發(fā)源處時的減振效果最佳。
2.1.3調(diào)整管路固有頻率減振
避開共振、消除壓力脈動對提高壓縮機裝置的工作性能和可靠性具有重要意義。可以通過改變調(diào)整管路的走向、支撐位置、管路結(jié)構(gòu)尺寸等方式，調(diào)整管路的固有頻率。除此之外，也可以采用緩沖罐等設(shè)備來減小壓力脈動的強度，以達到消除或減少振動的目的。
2.1.4調(diào)整壓縮機平衡度減振
為使壓縮機主機平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)，可以調(diào)整壓縮機平衡度。其具體措施是在振動比較嚴重的管路上安裝附加重量，以改變振動系統(tǒng)的自由度及固有頻率值。
2.1.5減少管路彎頭數(shù)量減振
盡量避免急轉(zhuǎn)彎，減少管路彎頭的數(shù)量，同時還要對彎頭的圓孤半徑進行固定，以避免空間轉(zhuǎn)彎。這樣可以通過減小產(chǎn)生激振動場所來緩解機械振動。
2.1.6優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)尺寸或布置減振
壓縮機主要工藝管道的分支以及變徑處應(yīng)利用一些強度足夠高的管件，因此通過利用標準管件來達到這個目的。但是也有些地方不能使用標準管件，例如儀表管嘴或三通等，同時這種管系也不宜采用螺紋連接，為確保減振的順利進行，應(yīng)適當采取一些有效地補強措施。由于支管較小，較易發(fā)生振動，在支管處也應(yīng)裝有適當?shù)闹巍Ａ硗猓趴铡⑴拍㈤y門、儀表管道等應(yīng)盡可能安裝在距離主管較近的地方。
2.2消振措施
對于壓縮機來說，氣流脈動和管道振動是無法避免的，因此一些減振和消振措施只能盡可能地把機組和管路系統(tǒng)的振動控制在一定范圍內(nèi)，盡量保證管系長周期的安全使用，卻沒有辦法做到完全的、真正意義上的消振。消振措施有很多，主要有以下幾個方面：
2.2.1增設(shè)管架
增設(shè)管架對于一些因激振力過大或者機械共振引起的管路振動是比較有效果的。對于增設(shè)管架措施的要求包括以下幾個方面：
(1)盡可能將管架和管卡設(shè)置在振動源點和振幅最大的地方。
(2)將管卡設(shè)置在靠近彎頭的兩端、管路三通交叉處的3個支管上等部位。對于管卡的設(shè)置，不能只強行固定在某一點，而是應(yīng)該為了盡可能降低管道的附加應(yīng)力多點分散固定。
(3)對于管道與管道、管道與管架、管道與緊固螺栓等易產(chǎn)生振動的位置，為了盡量減少或防止其直接產(chǎn)生摩擦造成噪音和摩擦裂紋而使管路損壞，可以通過在支架上用木塊、石棉橡膠板、石棉或其他材料作為減振墊隔離墊，從而減少金屬之間的摩擦。
(4)將管道固定的位置保持為其自由狀態(tài)，切忌強力固定而增加附加應(yīng)力。
2.2.2改變管線的固有頻率消振
只要壓力脈動的頻率及其倍頻與管線的固有頻率不相吻合，就可以做到改變管線的固有頻率。其具體措施可以在現(xiàn)有支承架與管子的中間墊上防振橡膠墊。
2.2.3應(yīng)用消振孔板消振
消振孔板是一種可以阻止裝有孔板的管端的反射行波的阻力元件，也可以減少振幅，避免管道內(nèi)形成駐波。其作用原理是將適當尺寸的孔板加裝在容器合適的地方。對于容器來說，如果脈沖較大的是入口管，則孔板應(yīng)安裝在入口處，如果脈沖較大的是出口管，則應(yīng)安裝在出口處。孔板和大容器在一起作用，就可以達到使管道尾端不再具有反射條件，且將原管道內(nèi)所存在的駐波轉(zhuǎn)變成行波的目的，這樣也有效地降低了管道中的壓力脈動不均勻度，從而實現(xiàn)了減振甚至消振。
2.2.4改造管路系統(tǒng)設(shè)計消振
這種方法可以用于復(fù)雜管路系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般是由多孔管及膨脹室組成的。當彎頭過多引起激振力過大或氣柱共振等問題時，可以考慮改變管路系統(tǒng)的布置以達到減少振動的目的，這樣還可以保證在很寬頻帶內(nèi)使壓力脈動平穩(wěn)。
2.2.5緩沖罐消振
目前最簡單有效的消振措施就是緩沖罐。它直接連接在發(fā)生振源的氣缸，利用足夠大容積的罐體，直接緩沖了從氣缸出來的氣體，也同時增大了氣流脈動的阻尼系數(shù)。
結(jié)語：管道振動研究是一項極其復(fù)雜且專業(yè)化的問題。只有綜合考慮到各種各樣的因素，盡量處理并協(xié)調(diào)好各因素之間的矛盾，才能順利要做好管道的減振工作。目前隨著我國經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，對能源的需求量也在不斷增加。因此國家不得不擴大能源的的開發(fā)與供應(yīng)能力，因此對工業(yè)氣體管道振動的分析及其控制措施的研究是具有非常重要的意義的。