压缩机气体脉动分析和管道振动分析(2)课件.ppt

“ ” “ ” 目录 压缩机气流脉动分析 （上午） 管道振动分析（下午） 第二部分： 管道振动分析理论培训 化工生产 中，动、静设备通过管道 串联来完成工艺流程。在压力和流速的作用下，管道壁上会承受流体动压力 。在生产中，非定常的管流会引起管道的振动。动力设备、流体输送机械操作振动和外部环境的激励使管道产生随机振动 。管线若长期受到振动会产生疲劳破坏 ，尤其是在应力集中处。疲劳破坏可进而发生管线断裂 、介质外泄，引起严重的生产事故。所以要解决管道振动 问题 。 管道振动分析 管道振动分析 在一个系统中，只要存在质量和弹簧，则就构成一个振动系统（振子），在外激励的作用下就会形成振动。 对于管道来说，管道自身以及其中所存的介质具有一定的质量。此外，管道（通常是空心钢管），在外力作用下也会产生相应的变形，也就是类似于一个弹簧。因此，管道系统具备振动的基本要素，能够在外力作用下形成振动。 F 管道振动分析 一般来讲，管道振动问题可分为三类： 振动分析： 已知外激力和系统特征（质量、刚度、阻尼），分析系统的响应，为设计做出指导。 系统识别问题：通过实验、测试的方法，测出系统的外激励和响应，从而反推系统的特征（质量、刚度、阻尼）。 振动环境预测：已知系统的特征和响应，判断系统的环境（外激励） 事实上，实际工程中管道的问题是相对复杂的，往往是上述三个问题的综合。主要原因在于振动分析所需要的参数难以从理论上确定（如阻尼），需要在理论和实验结合的基础上来完成。 管道振动分析 按照外激励（外载荷）的特点来分，管道振动分析又可以分为确定性振动和随机振动两大类： 确定性振动：激振力和响应都可以用时间的确定性函数来表示。比较典型的例子就是往复压缩机引起的振动。往复压缩机的活塞运动时一个确定的规则运动，由此引起的管内流体压力脉动也是时间的确定函数，往复压缩机管道的振动是确定性振动。 随机振动：激力是随机的，响应也是随机的，不能用时间的确定性函数来表示，这类振动问题通常需要用概率和统计方法来估算响应值（最大值、平均值、方差） 管道振动分析 由于动力学分析比静力分析运算量要大很多（在时间历程里面的每一个积分点都是一个静力计算），因此对于管道工程来说，不可能对所有的振动都采用振动方法来分析，而是对大多数问题采用简化方法~准静态方法来计算。下面简单介绍一下工程中常见的振动问题处理方法： 风载荷引起的管道振动 风载荷是典型的随机振动，随机振动与确定性振动相比，其运算量更大，而通常管道由于截面小，风载荷并非主要载荷因素，因此在实际分析中，分载荷往往是根据规范进行等效静力分析。当然，特殊情况下，对于细长的垂直管道，有必要采用动力分析。 2. 地震引起的管道振动 与风载荷类似，地震载荷也是典型的随机振动。为了简化计算，在管道应力分析中如考虑地震载荷的话，也是采用等效静力分析的方法。与设备相比，管道的质量相对较小，地震发生时管道自身受到地震作用造成应力过大而破坏的可能性不大，通常是由于设备或者结构倒塌造成的管道破坏。 管道振动分析 两相流引起的振动 两相流指的是管内的流体既有气相又有液相。由于气相和液相的密度相差很大且流速不同，因此管内流体对管道的作用力也不相同，作用力的不断变化导致管道的振动。两相流产生的激振机理非常复杂，他与操作工况、介质、管径、流速都有关系，而且在设计阶段很难确定这些参数。因此，两相流引起的振动主要根据经验来设计。 水锤冲击振动 水锤冲击指的是管道中某一截面的液体流速发生了突然改变，使得该处的压力产生突然的跃升或者下降，从而造成液体对管道或者元件的冲击。在工程中，当泵突然停车、阀门突然关闭、瞬时对管道进行大量流量条件，造成对调节元件和管道的冲击。由于水锤冲击是典型的瞬态问题，如果按照动力学分析方法采用时域积分，需要大量的计算资源。因此在实际工程中通常是依据规范计算冲击压力，然后对管道应力进行常规校核。 管道振动分析 往复压缩机和往复泵引起的管道振动 往复压缩机和往复泵引起的管道振动绝大部分成分是源自于流体的压力脉动，此类振动是管道应力分析中最常见的振动，它是典型的周期性激励作用下的强迫振动，在工程中通常是采用有限元方法进行直接动力学分析，对振动响应进行预报（位移、加速度、应力）。 在本次培训中，将重点分析此类问题。 管道振动分析 由于在整个管道系统中存在大量的管道及其相关部件，因此管道振动是多自由度系统振动，为了后续介绍的方便，这里简单地回顾一下多自由度系统的几个基本概念：固有频率、固有振型（模态）、振型叠。首先看一个简单的多自由度系统：该系统由2个质量和3个弹簧组成。 利用牛顿第二定理，可以非常方便的建立其相应的运动方程 管道振动分析 运动物理方程 通常，为了分析的方便，运动物理方程都将表示成矩阵的