石油化工管道冷切割的振動分析及消除措施

在化工企業(yè)的生產(chǎn)中，動、靜設(shè)備通過管道串聯(lián)來完成工藝流程。在管道的壓力和流速作用下，管道壁上會承受流體動壓力。在管道切割工程中，管道切割和管壁的切削動作會引起非定常的管流，從而引起管道的振動。管道運(yùn)營的動力設(shè)備及流體輸送機(jī)械操作振動和管道切割振動激勵疊加使管道產(chǎn)生隨機(jī)振動。管線若長期受到振動會產(chǎn)生疲勞破壞，尤其是在應(yīng)力集中處。引起了管道的疲勞破壞可能會引發(fā)管線斷裂、介質(zhì)外泄，引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。所以在管道帶壓開孔或管道切割時(shí)要解決管道的振動問題。

一、壓力管道的振動原因分析

根據(jù)壓力管道振動理論，管道、支架和相連設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在受到管道切割等動作的激振力情況下，這個(gè)管道系統(tǒng)就會產(chǎn)生振動。管道振動分為兩個(gè)系統(tǒng)：其中一個(gè)是管道系統(tǒng)，另一個(gè)是流體系統(tǒng)。

壓力管道在自爬式液壓切管機(jī)進(jìn)行管道切割過程中的激振力可來自系統(tǒng)外部。來自系統(tǒng)自身的主要有與管道相連接的機(jī)器的振動和管內(nèi)流體不穩(wěn)定流動引起的振動；來自系統(tǒng)外的有風(fēng)及地理環(huán)境改變（如地震等）。

振動對壓力管道是一種交變動載荷，其危害程度取決于激振力的大小和管道自身的抗振性能。主要影響因素如下：

氣柱固有頻率。管道內(nèi)充滿的流體是一個(gè)具有彈性的氣柱，每當(dāng)流體輸送設(shè)備的汽缸吸排氣時(shí)，管內(nèi)氣柱便受到干擾而呈現(xiàn)振動。

機(jī)械固有頻率。管系是連續(xù)彈性體，存在結(jié)構(gòu)固有頻率。自爬式液壓切管機(jī)在管道切割工程施工時(shí)所產(chǎn)生的頻率也有其固有頻率。

二、壓力管道振動消除措施

1.改變管道的固有頻率

根據(jù)振動理論，一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的多自由度振動方程可用矩陣微分方程式表示，可考慮：

在管道系統(tǒng)上加裝平衡塊，改變質(zhì)量矩陣M，以改變系統(tǒng)固有頻率，避免共振發(fā)生。

改變系統(tǒng)的阻尼矩陣C，如在管道的固定支撐的部位放置金屬彈簧、橡皮或軟木等，以達(dá)到隔振、消振的目的。

通過增加系統(tǒng)的剛度矩陣K，如增設(shè)支承、調(diào)整支承位置或改變支承性質(zhì)。通過改變管道支承性質(zhì)，縮短支承點(diǎn)距離使管道固有頻率提高；改懸臂管為兩端簡支管，變彈性支承為剛性支承管，均會使固有頻率加大，以達(dá)到消振的目的。

2.消減氣流振動

調(diào)整管道氣柱固有頻率，避開氣柱共振。氣柱固有頻率取決于管系的配管方式、長度、管徑、容器容積的大小和配置位置以及氣體的種類和溫度等，改變管道和容器的尺寸以及配置方式，可改變管系的氣柱固有頻率。在配管設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工藝流程的需要做好配管初步設(shè)計(jì)后，應(yīng)計(jì)算管系的氣柱固有頻率，并通過調(diào)整，使它們不與激振頻率重合以避免氣柱共振。

3.降低脈動壓力強(qiáng)度。工程中在壓縮機(jī)管系靠近汽缸進(jìn)出口處設(shè)緩沖器，使脈動壓力不均勻度降低。另外孔板是氣流阻力元件，設(shè)孔板是現(xiàn)場管道消減振動的有效方法之一。同時(shí)在管道內(nèi)安裝聲學(xué)濾波器等，以控制氣流脈動，達(dá)到消振的目的。

4.管道切割消除固定頻率或減小應(yīng)力反應(yīng)。進(jìn)行管道冷切割工程中，給自爬式液壓切管機(jī)進(jìn)行潤滑和實(shí)現(xiàn)管道切割變速技術(shù)來減小管道的共振影響。

其它的消除措施主要方法是緩慢關(guān)閉閥門、縮短管道長度、在管道靠近液擊源附近設(shè)安全閥和蓄能器等裝置，以釋放或吸收液擊能量。