輸液管道振動分析

徐城杰，蔣韋鋒，李茂云

（深圳中廣核工程設計有限公司核島所，廣東 深圳 518172）

0 引 言

管道相連的機械設備振動或者管道內流體壓力的脈動可以引起管道的瞬態或穩態振動。當振動超過一定限度的時候，可能使管道支吊架松動、螺紋松動、法蘭連接失效、管線摩擦受損、設備移位、焊縫拉裂等［1］；而管道系統長時間的振動易引發管道疲勞受損，進而可能會導致管道開裂、管內流體泄漏及管道斷裂。

本文在總結振動原因及減小振動的方法的基礎上，梳理出面對管線振動問題時的解決思路，以期迅速找振動的原因并提出解決方案。

1 引起管道振動原因及相應特點

圖1 管道振動的簡化模型

管道振動是機械振動的一種，是管道與相連的設備、部件以及支承架構成的系統，在激振力下隨時間而變化引起的問題。如果把激振力看成激發信號，管道的振動看成是對激發信號的響應，可用圖1 表示管道受迫振動的簡化模型。

1.1 管道振動激振力

因為管道系統組成的復雜性，引起管道振動的激勵力也很多，一般是由與管道相連的機械設備（泵等）或管道元件（閥門、儀表等）振動引起的；管內部介質不穩定流動引起的；外界（如風、地震等）的激振力使管道振動等。其中管道內部介質流動引起管道振動是主要誘因。管道內部介質流動引起的振動又有多種情況（圖2~圖3），例如流體通過泵等產生的壓力脈動、管道中的液體夾帶氣體或管道某些部位聚集氣體引起氣柱的振動、流體在流動過程中不穩定的汽化引起汽蝕振動、當閥門不為100%時流體經過閥門形成的漩渦導致閥門振動從而引起管道振動、湍流引起振動、閥門突然啟閉引起的高速流瞬變沖擊［2~7］。另外，當振動頻率接近或等于管道的自振頻率時，將會引起共振。

圖2 壓力脈動而引起的振動

圖3 流體流過閥門時汽化

1.2 管道自身的抗振性能

如果激勵力一定，管道振動的程度與管道系統的抗振性能有關。如果管道系統的阻尼大、抗振性能強，振動的現象就不明顯。當然，如果僅僅考慮振動問題，對于所有的激振力，通過對管道系統增加約束，都會把振動限制在一定范圍。但是，對管道系統來說，增加約束受到管道應力特別是熱應力的限制，并不能隨心所欲地增加。

2 振動是否可以接受的判定標準

管道振動是一種無法避免的現象，任何管道都會存在，只是有的振幅或頻率太小，不能明顯感覺到。對能夠觀察到的振動，有的也不會影響到管道系統的安全，因此在解決管道振動問題時，需要判斷振動問題是否可以接受。關于管道振動的要求在ASME BPVC III、B31.1 都有定性的描述性要求。對于核電站的管道，美國的法規USNRC Regulatory Guide 1.68 和NUREG-0800 有專門的要求，另外ASME OM-S/G-2003 在法規的基礎做了專門的規定［8］。

3 減小管道振動問題的方法

振動對于管道系統來說是一種交變動載荷，危害的程度取決于引起振動激振力大小和管道自身的抗振性能。因此，為了減少管道振動可以從這兩方面來考慮。激振力是管道振動的根本原因，消減激振力是管道減振的首要任務。有時受實際情況限制，振源往往不能根除，振動難以避免。此時需從管道系統的結構特性考慮，增加管道系統的結構阻尼，提高管道系統的剛度，避開共振頻率，以緩和振動、減輕振動的影響。

對于泵等設備振動引起的管道振動，可以通過增加限定設備振動、設備基礎增加緩沖墊等方式減輕設備振動。

對于閥門突然啟閉引起的高速流瞬變沖擊而引起的振動，可以通過改進系統功能、閥門結構以降低閥門啟閉速度來減輕水錘效應，從而減輕振動。

管道中的液體夾帶氣體，或管道某些部位聚集氣體形成氣柱振動，可通過分析氣體存在位置，在高點增加排氣管線，及時排走管道系統內聚集的空氣。

流體在流動過程中不穩定的汽化引起汽蝕振動，通過改變管道布置走向、優化孔板設置等避免汽蝕發生，從而減輕振動。對壓降過大的單級孔板，改為多級孔板，或者采用多個單級孔板分開布置以降低每次節流壓降，防止汽蝕發生。

對于流體經過閥門形成的漩渦導致閥門振動從而引起管道振動、流體流過彎頭彎管閥門等對管線的沖擊引起的振動，一方面通過選取合理結構的閥門、優化管線布置盡量減少彎管彎頭數量；另一方面，如果因為條件限制不能修改管線或閥門時，可以通過在管道上安裝固定支架增大管道系統的剛度、增加管道系統的阻尼以緩和振動效應。

對于共振引起的振動，采用增加管道支吊架的方法，提高管道系統固有頻率，以避免管道的共振，但同時需驗證管道的應力。

4 管道振動問題解決的思路

管道振動問題解決的難點是:針對具體的振動問題，引起振動的原因可能有多種，這些原因又隱藏在振動現象的背后，很難準確判斷，特別是某一振動現象是由多種原因引起的時候。迅速判斷出振動的具體原因是解決振動問題的關鍵。結合多次發生的管道振動問題，列清單排除法是有效的方法。

1）管道共振的判斷。對于管道振動問題，通過現場測量可以得到振動的速度和頻率。用ANSYS 等有限元分析軟件進行模態分析，計算出管道系統的固有頻率。若兩者頻率相同或接近，說明管道系統發生了共振，需要通過增設支架等改變管道的固有頻率。

2）設備引起振動的判斷。首先仔細分析管道的具體情況，例如連接的設備是否有明顯振動，如果設備沒有明顯的振動，則可以排除設備引起振動的原因。否則，需比較設備振動的頻率與管道的振動頻率，如果兩者頻率相同或接近，說明管道振動是由設備機械振動而引起的。

3）泵出口壓力脈動引起振動的判斷。泵出口的壓力是一直波動的，并與泵的轉速、葉片數量有關。如果管道振動是由于壓力脈動引起的，振動頻率與泵的轉速應該有如下關系： F=nX/60。

F 為脈動頻率，X 為泵的轉速，n 為整數1、2、3 等。

4）汽蝕引起的振動判斷。管道的前后壓差較大時，往往采用增加節流孔板的方式，為了判斷流體的流動狀態，可以用Fluent 等軟件進行數值模擬分析。

5 結 語

管線振動問題是管道布置設計的一個難點。對于實際的振動問題，準確判斷出振動的原因，需要一定的理論和經驗基礎，還需結合實測數據進行分析；需仔細分析管道的特點以判別振動原因，必要時需進行模態分析和流動分析。

［1］ 郝婷玥，陳貴清，徐光耀.輸流管道振動問題的研究［J］.水利科技與經濟，2008（7）:532-534，548.

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［7］ 楊超，范士娟.輸液管道流固耦合振動的數值分析［J］.振動與沖擊，2009（6）:56-59，194.

［8］ 國家能源局.DLT 292-2011 火力發電廠汽水管道振動控制導則［S］.北京：中國電力出版社，2011.