管道振动CAE分析技术：机械振动和流致振动

机械导致的管道振动主要有两种原因：

• 通过管嘴直接传到管道；

  
  

• 通过安装在橇装设备上的支撑或刚度低的基础传到管道上。

如果转动设备动平衡差，它的振动频率是旋转轴的转动频率；如果转动设备没有牢固固定在基础上，比如有某个螺栓没有固定好，它也会以旋转轴的频率振动；如果设备振动频率接近管道固有频率，管道发生振动，同时会放大泵或压缩机的机械振动。

激发频率：

分析时，确定主要振动频率和振动方向后进行管道结构谐响应分析，并进行评价。

往复机、离心机出口的压力脉动

泵、压缩机以平均压力P 输送流体，当叶片通过出口管嘴或活塞完成一个冲程，下游流体会出现一个正弦压力波动dP。连续排出的流体导致周期的压力P+dP 沿着管子向下游传播，在方向改变或横截面变化的位置产生一个不平衡力。通常，离心机产生的力很小，除非管道柔性较大，一般不会导致管道明显振动，但对于往复机，将会产生明显的振动。

压力脉动频率

注：RPM为每分钟的转数；CPM为每分钟活塞完成冲程的个数。

分支处的湍流：

仪表套管等障碍物处的湍流：

流体在流过仪表套管等障碍物处，障碍物后方也会产生涡流，从而导致障碍物振动。

简单管道：

一端声学开口，一端声学闭口：

两端声学闭口：

复杂管道：通过转移矩阵法或有限元法计算。

声学响应：

当涡流脱落频率与流体声学固有频率相同或接近时，流体便发生共振，支管内流体压力的不均匀度会达到一个极大值。

对于天然气，阻尼比非常小，当气柱发生共振时，声压值会放大上百倍。

声压分布

气柱共振时的激振力

频率低于10Hz，许用振幅为0.5mm峰-峰值；频率在10～200Hz，许用振动速度约为32mm/s峰-峰值。

进行管道系统疲劳分析：

经验图标：

结合现场振动测量数据，建立管道振动分析模型，进行疲劳分析，评价管道振动水平。

减小或消除流体激振：

• 优化管道布置，尽量减少脉动的产生。

  
  

• 设置导流板，减小或消除湍流。

控制管道结构固有频率：

使管道结构固有频率与流体激振频率错开，避免管道发生机械共振。尽量减少弯管、异径管等产生振动激振力的元件。

控制流体声学响应：

• 尽可能避开低阶声学共振。

  
  

• 设置脉动缓冲装置或提高脉动缓冲效果。