工業(yè)氣體管道振動(dòng)分析及減震方案
2022-12-22 15:37:28
在石油、化工、冶金、動(dòng)力等部門中應(yīng)用最為廣泛的是往復(fù)式壓縮機(jī)，而往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)用時(shí)最為常見的是問題管道的脈沖振動(dòng)。一般來說，當(dāng)壓縮機(jī)排氣量較小時(shí)，管道直徑小，脈沖振動(dòng)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(jī)排氣量和脈沖振動(dòng)，管道的許多固定問題也因此日益突出。例如：強(qiáng)烈的管道振動(dòng)加速了管路附件的磨損和松動(dòng);振動(dòng)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用導(dǎo)致疲勞破壞，嚴(yán)重的話也會(huì)引起生產(chǎn)事故和環(huán)境污染。
1.引起管道振動(dòng)的原因
管道振動(dòng)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(gè)類似彈簧的，具有一定的固有頻率的振動(dòng)系統(tǒng)。在壓縮機(jī)的運(yùn)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(yùn)動(dòng)的速度也是隨時(shí)間而變化的，這樣就很容易引起壓力脈動(dòng)。當(dāng)壓力脈動(dòng)的頻率和管道系統(tǒng)的氣柱自振頻率相等或相近時(shí)，系統(tǒng)即產(chǎn)生對應(yīng)該階頻率的共振，當(dāng)壓縮機(jī)的激發(fā)頻率進(jìn)入氣柱固有頻率的區(qū)域時(shí)，就會(huì)引起強(qiáng)烈的氣柱共振，氣流脈動(dòng)非常嚴(yán)重，引起管道甚至壓縮機(jī)和基礎(chǔ)的強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致氣閥損壞乃至整個(gè)機(jī)組及管路的振動(dòng)加劇。
1.2管道機(jī)械共振
其實(shí)管道本身也是一個(gè)彈性系統(tǒng)，具有一定的固有頻率。引起管道振動(dòng)的主要原因是管道的脈沖振動(dòng)和回轉(zhuǎn)設(shè)備的不平衡。管道的機(jī)械共振一般都是在當(dāng)激發(fā)頻率與某階固有頻率相等或相近時(shí)發(fā)生。由回轉(zhuǎn)設(shè)備的不平衡所引起的振動(dòng)會(huì)傳遞給與它相連的管道，如果被傳遞的這個(gè)振動(dòng)的頻率與管道的固有頻率接近，就會(huì)引起管道系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械共振，會(huì)直接導(dǎo)致管路及連接處的損壞。
1.3管路機(jī)械共振
管路結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(huì)作出機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)，這也是引起管道振動(dòng)的一個(gè)重要原因。管路的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)也有其固有頻率。當(dāng)激發(fā)頻率與某一階機(jī)械振動(dòng)固有頻率相重合或接近時(shí)，則管路系統(tǒng)將形成強(qiáng)烈管路機(jī)械共振。
2.管道的減震與消振措施
決定壓縮機(jī)管道系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)和振動(dòng)的因素主要包括以下三個(gè)：
(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(jī)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(gè)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(dòng)減振
減小氣流脈動(dòng)的方法比較多，例如設(shè)置緩沖器。在緩沖器內(nèi)安裝一個(gè)芯子元件，可以有效地衰減壓力脈動(dòng)，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(dòng)的幅值，而且還可以改變管系氣柱的固有頻率，但與此同時(shí)，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(dòng)的發(fā)源處時(shí)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(dòng)對提高壓縮機(jī)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(dòng)的強(qiáng)度，以達(dá)到消除或減少振動(dòng)的目的。
2.1.4調(diào)整壓縮機(jī)平衡度減振
為使壓縮機(jī)主機(jī)平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，可以調(diào)整壓縮機(jī)平衡度。其具體措施是在振動(dòng)比較嚴(yán)重的管路上安裝附加重量，以改變振動(dòng)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(shí)還要對彎頭的圓孤半徑進(jìn)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(dòng)場所來緩解機(jī)械振動(dòng)。
2.1.6優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)尺寸或布置減振
壓縮機(jī)主要工藝管道的分支以及變徑處應(yīng)利用一些強(qiáng)度足夠高的管件，因此通過利用標(biāo)準(zhǔn)管件來達(dá)到這個(gè)目的。但是也有些地方不能使用標(biāo)準(zhǔn)管件，例如儀表管嘴或三通等，同時(shí)這種管系也不宜采用螺紋連接，為確保減振的順利進(jìn)行，應(yīng)適當(dāng)采取一些有效地補(bǔ)強(qiáng)措施。由于支管較小，較易發(fā)生振動(dòng)，在支管處也應(yīng)裝有適當(dāng)?shù)闹?。另外，放空、排凝、閥門、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(jī)來說，氣流脈動(dòng)和管道振動(dòng)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(jī)組和管路系統(tǒng)的振動(dòng)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(gè)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(jī)械共振引起的管路振動(dòng)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(gè)方面：
(1)盡可能將管架和管卡設(shè)置在振動(dòng)源點(diǎn)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(gè)支管上等部位。對于管卡的設(shè)置，不能只強(qiáng)行固定在某一點(diǎn)，而是應(yīng)該為了盡可能降低管道的附加應(yīng)力多點(diǎn)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(dòng)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(qiáng)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(dòng)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(dāng)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(dá)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(dòng)不均勻度，從而實(shí)現(xiàn)了減振甚至消振。
2.2.4改造管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)彎頭過多引起激振力過大或氣柱共振等問題時(shí)，可以考慮改變管路系統(tǒng)的布置以達(dá)到減少振動(dòng)的目的，這樣還可以保證在很寬頻帶內(nèi)使壓力脈動(dòng)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(shí)增大了氣流脈動(dòng)的阻尼系數(shù)。
結(jié)語：管道振動(dòng)研究是一項(xiàng)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(jì)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(kuò)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(dòng)的分析及其控制措施的研究是具有非常重要的意義的。