管道共振的危害及解決措施

杜震昊

中國石油工程建設有限公司華北分公司

在機組轉動設備和流動介質中，低強度的機械振動是不可避免的，若轉動設備機械振動通過系統連接部件及介質傳遞至系統管道使其產生共振，會對機組及管線的安全運行構成很大的威脅[1]。機組系統管道振動根本原因在于機組的設計、安裝、操作及運行等方面，系統管道振動直接反映了轉動設備的機械性能及運行情況。以國內某壓氣站為例，分析管道共振產生的原因，并通過動態及靜態分析方法尋找消除管道共振的措施。

1 管道共振的危害

（1）對工作人員危害。干擾工作人員的視覺，降低施工效率；工作人員感覺疲勞；導致質量事故甚至安全事故；長期在相當強度下的振動環境中工作，則可能對施工人員身體造成較大危害或影響。

（2） 對建筑物危害。由于管道振動強度和頻率的不同，將會使某些建筑物的建筑結構受到破壞（常見的破壞現象表現為基礎和墻壁的龜裂、墻皮剝落、石塊滑動，重者可使建筑物地基變形等）。

（3）對精密儀器的危害。管道振動會影響系統精密儀器及儀表的正常運行，影響對儀器儀表的刻度閱讀的準確性和閱讀速度，甚至根本無法讀數。若管道振動過大，會直接影響儀器儀表的使用壽命，甚至受到破壞；對于某些靈敏的電器（如繼電器），振動會引起其誤動作，從而可能造成一些重大事故。

（4）對系統主設備的危害。長期的管道振動會造成系統主設備出力不均，影響主設備的機械性能及正常運行。

2 管道共振的實際案例

某輸氣管道工程天然氣站場LNG進站管線通過4303#可控球閥調壓向下游管線輸送天然氣（圖1）。該壓氣站運行中存在以下問題：4303#可控球閥在高壓差、大開度工作時，調壓閥及調壓區管道（DN700）存在較強烈振動和噪聲；即在調壓運行過程中發現，當上下游壓差過大調壓閥在部分開度時，可控球閥調壓致使LNG管線振動過大，管線附屬儀表出現劇烈晃動、球閥兩端螺栓出現松動等現象；即使在不調壓情況下，埋地管道地面也有明顯震感。當工作人員進入該區域時，地面傳來的強烈悶震使人體不適，嚴重影響壓氣站工作人員日常生產生活。在該站壓縮機組運行工況下，現有4303#可控球閥調壓支路不具備向下游供氣的條件，且進站區工藝管線隨氣量增加（最大流量4 200×104m3/d）振動逐步增大。

圖1 可控球閥在站場中的位置Fig.1 Position of controllable ball valve in the station yard

3 管道共振的原因分析

3.1 管線靜態分析

管道系統的固有頻率反映管系對動態載荷響應的趨勢，通過管道系統的固有頻率能夠評估管道振動響應的可能性[2-4]，管系的固有頻率原則上不應和設備的操作頻率或系統中產生的激振頻率太接近。按照一般規律，較高的固有頻率對于管系有利，較低的固有頻率表征管道振動可能性，本文將核查管系的低階固有頻率，并通過計算的固有頻率與規范要求進行校核。

挪威船級社的Structural Analysis of Piping Systems（DNV-RP-D101）推薦規程中提出，“按照好的管道支撐標準所設計支撐的管道系統，其最低階固有頻率不應低于4 Hz。”

根據現場安裝和實際生產情況創建應力分析模型[5]，進行管線固有頻率分析。由圖2可知，管道結構的前12階固有頻率均高于4 Hz，因此管道在激振力的作用下不易產生振動。

圖2 管道結構固有頻率分析Fig.2 Natural frequency analysis of pipeline structure

3.2 管線動態分析

3.2.1 流體壓力脈動

根據閥門廠家提供的材料，減壓閥在工作時會產生壓力波動，波動范圍在2 MPa左右。該壓力變化將隨著流體的流動，并在管系中管道和彎頭之間產生不平衡力[6-7]，在不考慮壓力波動導致流體激振力的情況下，其作用大小為

式中：Ft為沿管線產生的不平衡力，N；dp為管內介質壓力變化，MPa； A為管道截面積，m2；ω為流體角頻率，rad/s；t為瞬態時間，s；L為直管段長度，m；c為流體中的聲速，m/s。

依據廠家提供的數據，壓力脈動最大約2.18 MPa，將該作用力附加至管道計算其對管系的瞬時荷載。

3.2.2 流體管件作用力

當流體流過彎頭處將會產生動量變化[8]，該變化在彎頭處產生的力為

式中：F為彎頭所受的作用力，N；v為流體流速，m/s； θ為彎頭角度，(°)； ρ為介質密度，kg/m3。

經計算，在瞬時輸量1.75×106m3/h的條件下，彎頭處所受的作用力為3.2 kN，將該作用力附加至管道計算其對管系的瞬時荷載。

3.2.3 流體脈動

根據現場安裝和實際生產情況創建流體分析模型（圖3），進行流場計算（系統各部件的壓力、壓損、流量、流速等）[9]。

圖3 流體分析模型Fig.3 Fluid analysis model

根據計算結果，當管道以最大流量進行輸送時，閥門和大小頭處的天然氣流速比較高，其中閥門和大小頭處流速為40 m/s，此處局部的流速比天然氣管道的推薦流速（15 m/s）大。

減壓閥的尺寸是DN500 mm，然后連接DN500 mm×DN700 mm大小頭，經過閥門后管徑就會突然增大；由于流速較高，導致比較嚴重的閥后擾流（圖4），這是管道振動的主要原因。

由于流速較大，只要有稍微的開度變化，減壓閥后流體壓力流動變化也較明顯，會造成閥后管道內天然氣壓力的波動。

如圖5所示，在最大流量工況下，閥門開度發生變化的瞬間，閥后的壓力突然升高又迅速降低，然后反復升高和降低。在0.05 s內共6次的壓力急劇變化，產生的振動頻率約為1 200 Hz，壓力變化值約1.6 MPa。壓力變化時，壓力波就會沖擊閥后的彎頭，從而導致本段管道的振動[10]。

圖4 流體分析結果Fig.4 Results of fluid analysis

圖5 管道內流體壓力波動Fig.5 Fluid pressure fluctuation in the pipeline

3.3 管道振動許用值分析

管道機械振動的控制標準始于往復壓縮機機械行業，其中一些標準同樣適用于管道機械振動的評判。圖6為美國普渡壓縮機技術協會關于機械振幅的要求，此項要求也被國內外工程公司應用于管道機械振動的評判。當管道機械振幅不超過圖6的要求，管道的運行是平穩、安全的。

圖6示出5條曲線，包括：平均感覺界限；設計界限，即要求管線設計以此線為標準；介乎設計與修改之間的界限；修改界限，即振動達到此界限時，管線必須修改；危險界限。

圖6 機械振幅要求Fig.6 Mechanical amplitude requirements

據壓氣站現場提供的資料，管道振動頻率最大時達到1 755 Hz（流體計算脈動分析結果為1 200 Hz，不疊加其他作用）。

綜上所述，得出如下結論：

（1）經應力分析結果看出，當前管道固有頻率符合相關標準，且管道在荷載的作用下管道材料不會發生屈服。

（2）根據液體脈動分析判斷，振源為較大流速管道變徑和閥后擾流產生的壓力波。

（3）通過管道振動許用值分析，管道振動頻率已經超過相關標準，需要采取措施以滿足管道振動許用值設計界限。

（4）管道系統應力雖未失效（管道當前不會破壞），但振動頻率已超出相關管道振動規定，管道存在高頻疲勞等破壞的風險，需要對本管道系統進行減振改造。

4 管道共振的解決措施

對于本管道系統，改造方式主要分為兩個方面：管道配管安裝改造；工藝流體分析優化。本管道主要振動原因是流體產生的流體激振力，工藝流體分析優化為本管道系統的主要解決措施。

4.1 管道配管安裝

（1）增加支撐。本管道存在大量埋地管線，管線剛性較大，采用增加支撐措施優化效果不明顯。

（2）優化走向，增加直管線長度。本管道安裝空間相對緊張，增加直管段長度較小。

（3）減少彎頭。振源（減壓閥）前后彎頭較多。

（4）減少變徑點。管道管件閥門較多，存在一定的變徑點。

4.2 工藝流體分析優化

工藝流體分析優化主要通過流體分析軟件對管道及流體建模，分析管道系統內流體流動情況。

通過分析結果可以判斷產生激振力的工況（流速、壓力、溫度等），激振力的頻率、大小等。對于激振力較大處，需要對工藝參數、管件參數、管道安裝等進行調整。

根據設計情況初步判斷為聲阻產生的激振現象，需要下一步設計，提出優化措施并進行優化結果評定。

綜合以上兩種改造措施，最終推薦采用減少減壓閥及相關管線，取消變徑點，減少管系中彎頭量等方法。將減壓閥運至下游LNG壓氣站站內空間寬敞處進行安裝，從而保留此長輸線路的調壓功能。同時，該調壓管線安裝時采用減少彎頭數量、以長直管線為主的安裝方式，并在必要區域添加管線支撐，在保證管線應力及固有頻率要求的前提下，降低管線柔性，提升管線剛性，從而避免管線振動。壓氣站最終改造方案如圖7所示。

圖7 壓氣站最終改造方案Fig.7 Final transformation plan of natural gas compression station

4.3 評定結果

（1）應力分析評定。由圖8可知，拆除減壓閥后，管道結構的第一階固有頻率為8.794 Hz，大于改造前的5.971 Hz。本改造方案和原安裝方案進行對比，拆除減壓閥后，管道系統的模態及應力分析情況要優于原安裝方案。

（2）流體脈動評定。改造后該位置的減壓閥被拆除，本系統不存在引發管道的劇烈震動的誘因，整個管道系統壓力相對平穩。

圖8 管線改造后的管道固有頻率Fig.8 Natural frequency of pipeline after pipeline modification

（3）系統綜合評定。本段管線減壓閥去掉后，管系中不存在引發管道劇烈震動的主要誘因（振源），綜合分析地上管線和埋地管線的應力情況以及流體的作用力。改造后管道的載荷、頻率、振幅等滿足相關規范。

5 結束語

管線振動無法避免，尤其是管線共振會對管線本身、相連設備、建筑物或工作人員產生巨大的潛在危害；但設計人員可以通過軟件模擬或其他方法分析管線共振的原因，最終制定出合理的改造方案。比如，增加支撐、減少拐點數量等方式增加管線剛性，或者采用取消管線變徑點等方式減少流體振動源[11]，從而使管線不易產生振動，減少管線共振對管道系統的破壞。