凝结水管道的减振优化设计

　　0 前 言

　　在能源电力、石油化工等众多大中型企业中,存在着大量的流体输送管道,而这些管道系统常常发生振动问题,对安全生产造成一定的威胁。强烈的管道振动会使气阀工况变坏,控制仪表失灵,管道附件、尤其是管道的连接部位和管道与附件的连接部位等处发生松动和破裂,轻则造成泄漏,重则由破裂而引起污染或爆炸,造成严重事故。由分析可知,引起管道振动的原因主要有两种:由流体脉动引起;基础设计不当造成。因此,从管道振动的本质特性出发,针对其起因研究减振方法具有重要科学价值和工程应用价值。

　　1 管道振动数学模型

　　管道系统的振动是由作用在管系上的周期性激振力引起的受迫振动,其数学模型如图1所示。通常这种周期性激振力主要是管道内的脉动压力,特别是管道中流动的脉动流体,在遇到弯管、异径管、阀门及盲板等管道元件时,就会出现激振力,从而使管道作受迫振动。当作用在系统上的干扰力频率等于或接近系统的固有频率时,振动系统的振幅会急剧增大,即出现共振。用有限元分析方法建立管系振动方程如下:

式中,[K]为管系的总刚度矩阵,它和管道弹性及支承刚度有关;[M]为管系的总质量阵;[C]为阻尼矩阵;{u}为各节点位移向量;{Q(t)}为荷载向量,是时间的周期函数。

　　对于方程(1)的求解,可以采用截断Lanczos法[1]求解特征值问题,用Ritz向量直接叠加法[2]求解系统的稳态响应。下面给出稳态响应关系式的推导过程。

　　2 周期激振力下稳态响应关系式的推导

　　对已建立的方程式(1),设并利用正交性,则得

式中,j=1,2,,,n;ξj为第j阶模态阻尼比;ωj为第j阶模态固有频率;Pj为第j阶主激振力,是周期函数。

　　用傅立叶级数将Pj展开

　　3 两种重要的减振方法

　　从式(4~7)可以看出,管系振动的大小主要取决于两类参数:一类是Ajs和Bjs,即取决于流体脉动激振力的大小;另一类是Xj和Nj,即取决于管系设计。在此对这两类参数的影响因素作深入剖析,以研究工程实用的减振方法。

　　3.1 减缓转弯法

　　通常管道系统输送的流体来自与之相连的往复机械或旋转机械,由于机械运转可能带来流体输送的间歇性,管道内流体的压力和速度都是不稳定的,随时间发生变化,其情况类似于正弦信号。压力脉动和速度脉动统称为流体脉动。因流体脉动引起而强加于管道的激振力,是由于压力的脉动和速度的脉动共同作用的结果,但在数量上由压力脉动引起占90%以上,压力脉动的程度可用压力不均匀度D来表征,即