压力管道振动原因分析
压力管道应力分析基础理论
疲劳失效
温度的变化导致结构可能在冷热两个状态下产生屈 服变形；
疲劳失效
与垮塌性荷载不同的是，当材料发生屈服时，如果 应力峰值满足一定条件下，并不会立即发生非自限 性的失效，而是系统停止运行后，产生自限性的残 余应力。
强度理论
我们如何来评价失效？——通过强度理论 第一强度理论：最大主应力理论（Rankine） 第二强度理论：最大伸长线应变 第三强度理论：最大剪应力理论（Tresca） 第四强度理论：最大变形能理论（Von mises）
强度理论
第三强度理论： 第四强度理论：
S13
S 1 21 2 2 2 3 2 3 1 2
CAESAR II 管道应力分析理论
AECSOFT
前言
我们为什么要进行管道应力分析? 我们需要做什么？ 我们如何模拟一个管道系统？ 我们如何来分析计算的结果？
我们为什么要进行管道应力分析?
复杂管线中可能存在压力、重量、温度、风、海浪、土壤约 束以及地震、动设备的振动、阀门关闭、开启导致的水锤气 锤等外力载荷作用。载荷是管道产生应力问题的原因。
梁单元上纯弯曲的概念：
当梁发生纯弯曲时，各截面上的弯矩值唯一（整个 截面的弯矩由唯一值表示），且不存在剪力，截面 发生转动，梁轴线变为弧线，但转动后各截面仍为 平面。在这种假设下，应力S=M/Z.（胡克定律）
如果不使用纯弯曲假设，则上式不一定适用。
3D梁单元示例
这是一个简单的悬臂梁模型：当在自由端作用集中 载荷P之后，其挠度为：
应力计算式：
S 1 F A / X A m M / Z P / 4 t d S h
一次应力通常暗示了支架跨距是否满足要求；
压力管道爆破振动对岩壁吊车梁混凝土影响的控制
１ 雅砻 江 官地 水 电站 地 下厂 房 系统 特 点
ｆ）地下 厂房跨 度大 。 １
混 凝 土浇 筑 后 才 进行 压 力 管 道 开挖 ，因此 必 须严
格 控 制压 力 管 道 开 挖施 工 爆 破 震 动 ，减 少 对 厂房
岩 锚 梁混 凝 土 浇 筑 的影 响 。厂 房 与压 力 管 道 位置
水 电 工 程 技 术
压力管道爆破振动对岩壁吊车梁混凝土
影 响的控制
张 成柏 陈 旭 孙 长 波
摘 要 ：在地 下厂房 的设计 和开挖 施工过 程 中 ，需重 点研 究开挖施 工过程 中爆破 震动 对岩壁 吊车 梁 混凝 土影 响的 关键技 术 问题 。本 文 以压 力 管道 开挖施 工 中爆 破 振动 对 岩锚 梁浇筑 混
在地 下 洞 室 开 挖 时 ．炸 药 在 岩石 中爆 炸 时所
释放 出来 的能 量 只 有 小部 分 用 于 破碎 岩 石 ，而 大 部分 能 量都 消 耗 在 产 生空 气 冲 击 波 、振 动 波 、噪
声 和 飞 石 等有 害 效 应方 面 。如 何 降低 炸 药 爆 破所
带 来 的 有 害效 应 ，尤其 是 减 弱 振 动波 在 洞 壁 外部
— ．
图 １ 压 力管 道 与 厂房 位 置 布 置 图
４ ． ６—
水 电 工 程 技 术
表 １ 水 工 建筑 物质 点允许 爆破 振动 速 度值 序号 １ ２ ３ 保 护对 象 水 工 隧洞 交 通 隧洞 水 电站 及控 制设 备
３ ｄ
允 许安 全质 点振 动速度 （ ／） ｃ ｓ ｍ ７ １ ～５ １ ０ ０ ２ ０５ ．
ｌ ～２
４ （ 浇混凝 土 ） 新
最新压力管道应力分析幻灯片
⑷、具备下列条件之一的管道，可不做柔性 分析：
①该管道与某一运行情况良好的管道完全相 同；
②该管道与已经过柔性分析合格的管道相比 较，几乎没有变化。
⑸、柔性计算方法应符合下列规定：
①对于与敏感机器、设备相连的或高温、高 压或循环数大于7000次等重要的以及工 程设计有严格要求的管道，应采用计算 机程序进行柔性计算。
管道； ⑹ 与离心泵连接的管道
⑺ 设备管口由特殊受力要求的其他管道；
⑻ 利用简化分析方法分析后，表明需要进一 步详细分析的管道；
• 哪些管道可以不进行详细的柔性设计
⑴ 与运行良好的管道柔性相同或基本相当的 管道；
⑵ 和已分析的管道比较，确认有足够柔性的 管道；
⑶ 对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两 端固定、无中间约束并能满足下式要求 的非剧毒介质管道：
一、在石油化工管道中常见的振动： ⑴ 往复式压缩机及往复泵进出口管道的振动；
• 往复式压缩机及往复泵防振设计的步骤： 1、在订货合同中明确提出对机器制造厂的要求：
⑴明确规定机器制造厂采取分析设计方法进行 压力脉动和振动控制；
⑵对缓冲罐容积大小提出要求；
2、通过计算共振管长和管系固有频率对管道布 置和支撑进行调整
时为：
S1 2[]P t D wP
2、弯管壁厚计算 弯管外侧壁的实际环向应力仍比直管大，内侧壁 的环向应力则比直管小。且应力值与弯管的弯曲 半径R有关。
Slw2[ P ]t D w p(1D 4R w)
弯制弯管时，弯管处横截面变得不圆，它对应力有 影响，可用最大外径与最小外径之差Tu表示。
TuD mD ax D w m i n10 % 0
电厂压力管道检验
定期对异常情况进行总结，提出改进措施， 提高检验工作质量
检验设备和人员资质要求
人员资质：检验人员需要具 备相应的资质证书，如压力 管道检验员证书等
检验流程：需要按照规定的 检验流程进行，确保检验结
果的准确性
检验设备：需要具备压力管 道检验的专业设备，如压力 表、温度计等
检验记录：需要详细记录检 验过程中的各项数据，以便
管道防腐： 检查管道 防腐涂层 是否完整， 无破损、 脱落等现 象
管道支撑： 检查管道 支撑是否 牢固，无 松动、变 形等现象
管道试压： 进行管道 试压，确 保管道在 规定压力 下无泄漏、 管 理
管道运行检验
压力管道的运行状态检 查
问题及整改建议等
存档管理：检验报告和检验 数据应妥善存档，便于查询
和管理
异常情况处理和报告制度
发现异常情况，立即停止检验工作，并报 告上级领导
及时向上级领导报告异常情况及解决方案， 并等待批准
详细记录异常情况，包括时间、地点、原 因等
异常情况处理完毕后，重新进行检验工作， 并记录处理结果
对异常情况进行分析，找出原因并制定解 决方案
01
提高电厂压力管道检验质量的措施
加强检验人员的培训和管理
定期进行专业培训，提高检验人员的技术水平和业务能力 建立完善的管理制度，明确检验人员的职责和权限 加强检验人员的职业道德教育，提高其责任心和敬业精神 定期进行考核和评估，确保检验人员的工作质量和效率
完善检验设备和器材管理
定期检查和维护检验设备，确保 其性能稳定可靠
外观检验
检查管道表面是否有裂纹、 腐蚀、变形等缺陷
检查管道连接处是否有松 动、漏气等现象
检查管道表面是否有油漆 脱落、锈蚀等现象
压力管道设计常见问题及难点
第一章任务与职责1. 道柔性设计的任务压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况；1) 因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；2) 管道接头处泄漏；3) 管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；4) 管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏；2. 压力管道柔性设计常用标准和规范1) GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》2) SH/T 3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》3) SH 3039-2003《石油化工非埋地管道抗震设计通则》4) SH 3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》5) SH 3073-95《石油化工企业管道支吊架设计规范》6) JB/T 8130.1-1999《恒力弹簧支吊架》7) JB/T 8130.2-1999《可变弹簧支吊架》8) GB/T 12777-1999《金属波纹管膨胀节通用技术条件》9) HG/T 20645-1998《化工装置管道机械设计规定》10)GB 150-2004《钢制压力容器》3. 专业职责1) 应力分析(静力分析动力分析）2) 对重要管线的壁厚进行计算3) 对动设备管口受力进行校核计算4) 特殊管架设计4. 工作程序1) 工程规定2) 管道的基本情况3) 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿4) 用目测法判断管道是否进行柔性设计5) L型U型管系可采用图表法进行应力分析6) 立体管系可采用公式法进行应力分析7) 宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道8) 采用CAESAR II 进行应力分析9) 调整设备布置和管道布置10) 设置、调整支吊架11) 设置、调整补偿器12) 评定管道应力13) 评定设备接口受力14) 编制设计文件15) 施工现场技术服务5. 工程规定1) 适用范围2) 概述3) 设计采用的标准、规范及版本4) 温度、压力等计算条件的确定5) 分析中需要考虑的荷载及计算方法6) 应用的计算软件7) 需要进行详细应力分析的管道类别8) 管道应力的安全评定条件9) 机器设备的允许受力条件（或遵循的标准）10)防止法兰泄漏的条件11)膨胀节、弹簧等特殊元件的选用要求12)业主的特殊要求13)计算中的专门问题（如摩擦力、冷紧等的处理方法）14)不同专业间的接口关系15)环境设计荷载16)其它要求第二章压力管道柔性设计1. 管道的基础条件包括：介质温度压力管径壁厚材质荷载端点位移等。
压力管道审核管道应力分析和柔性设计
B、动力分析包含的内容 a)管道固有频率分析 — 防止共振。 b)管道强迫振动响应分析 — 控制管道振动及应力。 c)往复式压缩机(泵)气(液)柱频率分析 — 防止气柱 共振。 d)往复式压缩机(泵)压力脉动分析 — 控制压力脉动 值(δ值)。
压力管道审核管道应力分析和柔性设 计
C、动力分析要点
计
三、工程设计阶段管道应力分析专业的任务
1、初步设计、基础设计阶段 ⑴ 编制工程设计规定(应力分析、管架设计) (四级签 署)； (2) 参加设备布置工作；
(3) 对主要管线的走向进行应力分析和评定。
压力管道审核管道应力分析和柔性设 计
2、详细设计阶段
⑴ 修订（升版）工程设计规定(应力分析、管架设计)
压力管道审核管道应力分析和柔性设 计
10、ASME/ANSI B31.3 Process Piping 11、ASME/ANSI B31.4 Liquid Transmission and
Distribution piping systems 12、ASME/ANSI B31.8 Gas Transmission and Distribution piping systems 13、API610 -- 离心泵 14、NEMA SM23 -- 透平 15、API617 -- 离心式压缩机 16、API618 -- 往复式压缩机 17、API661 -- 空冷器 18、ANSI/B31.1、APIRP520 -- 安全阀、爆破膜 压力管道审核管道应力分析和柔性设
(6)限位架 2 限制性管架
(7)轴向限位架
用于限制任一方向线位移的场合； 用于限制管道轴向线位移的场合；
(8)导向架 3 减振支架 (9)减振器
用于允许有管道轴向位移，但不允 许有横向位移的场合
管线中水击现象的成因及设计预防措施
管线中水击现象的成因及设计预防措施随着科学技术的发展，特别是计算机技术的广泛运用，配管设计已逐渐发展成为独立的工程设计专业。
在石油化工企业的新建、扩建、改建工程中，管道的设计与安装，已经成为整个工艺设计工作的重要组成部分。
在配管设计中，通过管道应力的分析计算，可以检查管道在设计条件下是否具有足够的柔性，保证管道的安全运行。
但是，从配管模拟设计过程以及装置现场反馈信息中发现，石油化工装置运行中，尤其在装置的试车阶段，管线的振动问题仍有发生。
致使管线振动的原因很多，水击是其中比较常见的原因之一。
因此，防止管道水击现象的发生是配管设计中不可忽视的重要因素。
本文就水击现象的成因、设计预防措施进行初步的探讨，供配管设计人员参考。
1 水击现象的成因及危害1．1 水击现象的基本概念水击是管道瞬变流动中的一种压力波，它的产生是由于管道中某一截面的流速发生改变，这种改变可能是正常的流量调节，或因事故而使管道堵塞，从而使该处压力产生突然的跃升或下降，并以波的形式，以波速a向整个系统传播，这种现象称为水击。
根据水击发生的程度可以简单地分为一般性水击和破坏性水击。
1．2 水击现象的成因在实际生产中，能够引起管道系统流速变化而导致水击的因素很多，如：（1）阀门的正常开、关或调节，事故的开、关和损坏堵塞；（2）泵的启动和停运；（3）蒸汽管道在暖管过程中出现凝结水。
从理论上讲，石油化工装置在设备切换——阀门关闭时，当阀门的开度逐渐减小时，管道中流体介质的流速也逐渐减小，由于介质的惯性作用，在阀门的上游部分产生压力升高，而在其下游部分产生压力降低；反之，当阀门的开度逐渐增大时，管道中流体介质的流速逐渐增大，在阀门的上游部分产生压力降低，而在其下游部分产生压力升高，产生介质的不稳定流动——“水击”。
同样，由于操作压力和温度的波动等原因造成介质体积的膨胀和收缩，也会导致水击现象的发生。
当此压力、温度波动超过一定范围，或在事故状态、装置开停车状态需要快速关启阀门时，管内的液相介质部分汽化或气相介质部分液化，管内产生局部气、液两相流，从而有可能发生严重的不稳定状态，导致“破坏性水击”。
压力管道隐患分析
压力管道隐患分析随着工业领域的不断发展，管道作为工业生产中不可或缺的一部分，其安全问题越来越受到重视。
在管道的安全问题中，压力管道是其中最为关键和容易出现隐患的一种。
下面我们就压力管道的隐患问题进行分析。
压力管道隐患主要表现在以下几个方面：一、压力管道的设计问题压力管道在设计时需要充分考虑材料的耐压性能、对环境的适应性和承载能力等因素，否则会出现设计不合理的情况。
例如，设计时未考虑到管道的应力分布不均匀，会导致管道局部出现过载情况；管道过长，管道材质不稳定或按照不合适的标准选用材料，都可能导致管道强度不足或寿命不够。
二、安装问题安装时的问题主要表现在安装不规范、焊接不合格等方面。
例如，管道安装后未进行适当的试验或未进行安全评估，会导致管道出现安全隐患；焊接过程中温度过高或不适当的焊接方法都可能导致管道出现爆管、漏水等问题。
三、管道实际使用过程中的问题管道实际使用过程中的问题主要表现在管道内外的条件变化。
例如，长期使用会导致管材减薄、金属疲劳现象，也可能会导致管道焊缝裂纹、腐蚀等问题。
此外，管道在运行过程中，也可能遭受外界力量影响，例如振动、重物撞击等，都可能导致管道出现安全事故。
四、管道维护管理不当管道维护管理不当可能会导致管道出现严重隐患。
例如未及时更换老旧管道、不进行常规检测、不定期进行清洗和维修等，这些情况都会导致管道的使用寿命缩短、乃至出现严重事故。
为了避免压力管道出现隐患，我们需要采取一系列的措施。
首先是对管道进行监测和定期的检验；这包括对管道周围环境的评估，以及对管道本身的压力、温度、流量等参数的监测。
其次是对管道进行维护保养，包括清洗、检修等。
最后，加强重点区域的管理，包括对管道周围的人员和财产进行保护，加强管道周围的安全防护措施等。
总之，压力管道的安全隐患是可控的，只要我们加强管道设计、安装、维护和管理工作，就能够避免管道出现事故，并为工业生产提供保障。
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音，这种现象就叫液击。液击造成管道内的压力产生很大 变化，突然压力升高可使管子爆裂，突然降压可形成管内 负压可使管子失稳。液击还导致振动、发出噪音、严重影 响管道系统的正常运行
1.2.4 机械固有频率。管系是连续弹性体，存在结构固有频率。
1.2.5管道内流体流速过快，形成湍流引起振动。
2 减少和防止压力管道振动的措施
1.1来自系统外的振源
1.1.1地震：地震对管道的安全运行有很大的 影响,损坏的程度有多种因素,如震级、地质、管 道材料、管道敷设方向与地震波方向的相对关系、 连接结构形式等。
1.1.2风力干扰
风力干扰会使管道振动,大都是非定时的、 随机性的激振源,只要管道固定牢固,一般不会引 起大面积的或十分激烈的管道振动。
2.1改变管道的固有频率：根据振动理论，一个机 械系统的多自由度振动方程可用矩阵微分方程式表 示
式中：M质量矩阵； X节点位移矢量；C阻尼矩阵； K刚度矩阵；F为干扰力及激振力矢量。
由上式知，要改变管线系统的振动特性，可考虑：
(1)在管道系统上加装平衡块，改变质量矩阵M，以 改变系统固有频率，避免共振发生。
(2)改变系统的阻尼矩阵C，如在管道的固定支撑的 部位放置金属弹簧、橡皮或软木等，以达到隔振、 消振的目的。
(3)通过增加系统的刚度矩阵K，如增设支承、调整 支承位置或改变支承性质。通过改变管道支承性质， 缩短支承点距离使管道固有频率提高；改悬臂管为 两端简支管，变弹性支承为刚性支承管，均会使固 有频率加大，以达到消振的目的
2.2消减气流振动
(1)调整气柱固有频率，避开气柱共振。气柱固有频 率取决于管系的配管方式、长度、管径、容器容积 的大小和配置位置以及气体的种类和温度等，改变 管道和容器的尺寸以及配置方式，可改变管系的气 柱固有频率。在配管设计时，根据工艺流程的需要 做好配管初步设计后，应计算管系的气柱固有频率， 并通过调整，使它们不与激振频率重合以避免气柱 共振。
(2)管道弯头应避免急转弯。在压缩机管系中，激振 力主要产生于弯头和异径管的接头处。因此在管道 的安装中应尽量减少使用弯头。另外减小弯头角度 可以增强减振效果。
(3)消减液击。主要方法是缓慢关闭阀门、缩短管道 长度、在管道靠近液击源附近设安全阀和蓄能器等 装置，以释放或吸收液击能量。
谢谢大家。
1.1.3其它非定时的、随机性的激振源
此类非定时的、随机性激振源的干扰会使管 道振动,排除过激的人为因素影响,只要管道固定 牢固,一般也不会引起大面积的或十分激烈的管道 振动。
1.2来自系统自身的振源
1.2.1．气体固有频率：由于气体具有可压缩性， 当压力高时，体积变小，密度变大，当压力低时， 体积增大，密度变小，气柱具有弹性性质。当管 内气柱受到干扰，象金属结构一样会发生自由振 动，其频率称为气柱固有频率。气柱的固有频率 与气柱性质、绝热指数和气体常数有关。当压缩 机运动频率与气柱固有频率，或管道系统的固有 频率相等或相近时，会发生共振。
1.2.2．压力的脉动：压力脉动通常用压力不均匀 度δ（delta）这个参数加以描述。如以Pm表示压 力的平均值，δ＝（Pmax－Pmin）/Pm。例如当压 力为320大气压时，若压力不均匀度为8%，它在 内径为60MM的90°弯管处形成的激振力幅值可 达5020N。对于一个复杂的空间管道系统，会有 多处变截面和拐弯的地方，这些部位都将分别受 到大小方向不同，相位各异且随时间而变化的力 的作用。
压力管道振动原因分析
概述
管道振动是一种常见的现象,严重的振动会加速裂纹扩展,威胁系统的安 全运行。在压力管道设计中,分析、研究各种影响管道振动的因素,掌握其对 管道破坏的规律,采取一些必要的措施,将管道振动控制在一 定的范围内,为 系统安全运行提供保证是十分必要的。
1、压力管道的振动分析
根据管道振动理论，管道、支架和相连设备构 成了一个结构系统，在有激振力的情况下，这个系 统就会产生振动。管道振动分为两个系统：一个是 来自系统外；另一个是系统自身。
(2)降低脉动压力强度。工程中在压缩机管系靠近
汽缸进出口处设缓冲器，使脉动压力不均匀度降 低。另外孔板是气流阻力元件，设孔板是现场管 道消减振动的有效方法之一。同时在管道内安装 声学滤波器等，以控制气流脉动，达到消振的目 的。
3.3合理设计管道系统
(1)因管道较复杂，欲使管道系统脱离某阶共振区虽 然可以做到，但状态不稳。而从振幅的计算结果看， 基频共振振幅最大，高阶共振的振幅较小，所以避 开低频共振才是解决问题的关键。具体方法包括调 整管道的走向、支承位置、支承结构及管道结构尺 寸等。将系统的固有频率调高到激振力主频率的 2.8~3.0倍以上。工程中由于现场条件和工艺条件 的限制，对管道的走向和结构尺寸无法改变，只有 通过改变约束条件来改变系统的固有频率。
左图示出了活塞式压缩 机的PV曲线。示出了膨 胀、吸气、压缩、排气 四个阶段的压力变化规 律。造成吸气管和排气 管内气体压力发生波动， 引起振动。压力波动的 大小用压力不均匀度δ表 示：
Pmax Pmin 100% Pm
1.2.3液击振动。
பைடு நூலகம்
管道内的流体压力迅速上升或下降，并伴有液体的锤击声