國內外新聞報道某幾座大橋發生較大振幅的振動,引起不小的影響。浙江至德鋼業有限公司技術人員分析大橋之所以振動,是因為流體力學中的渦激導致,即當流體繞過物體時,在表面附近出現與主流方向相反的回流,連續流動則會產生周期性的脫離,從而對物體形成周期性地激勵。當脫離頻率與物體固有頻率接近時,將引發物體發生共振。在管道設計中易產生渦激振動的情況較多,例如:換熱器管束、溫度計外保護套管、均速流量計插入管、放空管道、蒸汽凝結水管道、火炬管道、閥門內件、管道分支、管道彎(wan)頭等位置。筆者在某廠遇到某均速流量計插入管因渦激振動引起連接件位置管道泄漏,如圖1.1.7所示。對于渦激振動,首要確定渦激頻率,并使管道配管結構固有頻率避開渦激頻率。下面以流量計插入管為例簡要講述。


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1. 渦激頻率的(de)計算


  管內流(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)過流(liu)(liu)量(liang)(liang)計(ji)插(cha)入管時,會形成兩列幾乎穩定的(de)(de)、非對稱的(de)(de)、交(jiao)替脫(tuo)(tuo)落的(de)(de)、旋轉方(fang)向(xiang)相(xiang)反(fan)的(de)(de)渦(wo)流(liu)(liu)(即卡(ka)門渦(wo)街),從而產生周(zhou)期性(xing)變化的(de)(de)沿流(liu)(liu)動方(fang)向(xiang)及垂(chui)直流(liu)(liu)動方(fang)向(xiang)的(de)(de)力(li)作用(yong)到(dao)流(liu)(liu)量(liang)(liang)計(ji)插(cha)入管。當渦(wo)脫(tuo)(tuo)頻率與流(liu)(liu)量(liang)(liang)計(ji)插(cha)入管固有頻率接近時,則(ze)引起(qi)流(liu)(liu)量(liang)(liang)計(ji)插(cha)入管共振,嚴重時導致(zhi)疲(pi)勞(lao)斷裂,如圖1.1.8所示。


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  流量計插入管渦激頻率可按(an)式(1.1.1)估算:


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  當黏度不確定(ding)時,斯特勞哈爾數Sr近似選取0.22。


2. 流(liu)量計(ji)插入管固(gu)有(you)頻率計(ji)算


  流(liu)量計插入管固有頻率計算,見(jian)式(1.1.4)和圖1.1.9。


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  對于(yu)直形插入(ru)管(guan)(guan),Da為插入(ru)管(guan)(guan)直徑;對于(yu)錐形插入(ru)管(guan)(guan),Da=(A+B)/2;對于(yu)階梯形插入(ru)管(guan)(guan),Da=A。


  初(chu)步計算(suan)插入管固有(you)頻(pin)率后,再考(kao)慮形(xing)狀、介(jie)質、質量、安裝等修正系數(shu),最終(zhong)確定(ding)安裝狀態下套管的固有(you)頻(pin)率。


3.頻率校核


  在進行校(xiao)核時,至少(shao)要保證(zheng)渦激(ji)頻率(lv)與套(tao)管固有(you)頻率(lv)錯開20%。由于流動方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)激(ji)勵頻率(lv)和垂直流動方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)激(ji)勵頻率(lv)不(bu)同(tong),校(xiao)核時兩個方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)頻率(lv)均應考慮,即介(jie)質(zhi)流速要避開圖1.1.10中灰色部分的(de)(de)流速。在進行渦激(ji)頻率(lv)計算時,除了考慮正常(chang)操作工(gong)況(kuang)(kuang)的(de)(de)介(jie)質(zhi)流速外,還應考慮可能存在的(de)(de)超出(chu)正常(chang)操作工(gong)況(kuang)(kuang)流速的(de)(de)情況(kuang)(kuang),如啟機(ji)(ji)、停(ting)機(ji)(ji)和壓力泄放等工(gong)況(kuang)(kuang)。


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4.渦激(ji)振(zhen)動(dong)工(gong)況管道器材選用設計要點


  a. 接頭連接件(jian)的(de)選(xuan)用(yong)。如圖1.1.11所示(shi),接頭連接件(jian)的(de)選(xuan)用(yong)錯誤在(zai)工(gong)(gong)(gong)(gong)程(cheng)設計中經(jing)常發生。有(you)(you)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)程(cheng)管道專業(ye)(ye)把儀表連接件(jian)選(xuan)用(yong)的(de)分工(gong)(gong)(gong)(gong)劃給儀表專業(ye)(ye),因這種(zhong)儀表經(jing)常用(yong)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)的(de),如果管道為碳鋼(gang)(gang)的(de),因專業(ye)(ye)分工(gong)(gong)(gong)(gong)不(bu)清楚,造成施工(gong)(gong)(gong)(gong)現場不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)與(yu)碳鋼(gang)(gang)直(zhi)接焊(han)接,雖(sui)然(ran)有(you)(you)異種(zhong)鋼(gang)(gang)焊(han)接方法(fa),但是在(zai)施工(gong)(gong)(gong)(gong)現場較難保證質量(liang)。這種(zhong)情況常應(ying)按照圖1.1.11(g)、(f)選(xuan)用(yong),用(yong)法(fa)蘭過渡連接。


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  b. 為(wei)了避免套(tao)管產生共(gong)振(zhen),需(xu)要盡可(ke)能提高(gao)套(tao)管固有頻率(lv)或降低(di)渦(wo)激頻率(lv)。


    ①. 減(jian)小插(cha)入(ru)管長度


        根據插入管固有(you)頻(pin)率計(ji)算公式可知(zhi),插入管固有(you)頻(pin)率與長度(du)L的平方(fang)成反比(bi)。因此,在保(bao)證測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的前提下(xia),減小L可以有(you)效提高插入管固有(you)頻(pin)率。


    ②. 增大插入管支(zhi)撐處直徑


        增大插入管(guan)支撐(cheng)處直(zhi)徑A也會(hui)提高(gao)固有頻率,采(cai)用錐形插人管(guan)和階梯形插人管(guan)通常優(you)于直(zhi)形插入管(guan)。


    ③. 降低流速(su)


        渦激(ji)頻(pin)率(lv)與(yu)介質(zhi)流速成正比關系,在工況允(yun)許的條(tiao)件下,降(jiang)(jiang)低流速可(ke)以有效(xiao)降(jiang)(jiang)低渦激(ji)頻(pin)率(lv),從而避免插入管共振。


    ④. 安裝位(wei)置


       為了避(bi)免不(bu)穩定流的耦合(he),插(cha)入管(guan)安裝應避(bi)開閥(fa)門(men)、三(san)通、孔板(ban)等(deng)附近位置。


    ⑤. 設置支撐圈


      有的工程直接(jie)(jie)在主管(guan)(guan)(guan)上(shang)開孔,未設置管(guan)(guan)(guan)接(jie)(jie)頭就把儀表連(lian)接(jie)(jie)件(jian)插(cha)入(ru)(ru)并焊接(jie)(jie),造成(cheng)了事故(gu)隱患,除了這種流量(liang)計(ji)插(cha)管(guan)(guan)(guan),還有溫度計(ji)插(cha)管(guan)(guan)(guan)等類似情況,連(lian)接(jie)(jie)件(jian)可(ke)設置支撐(cheng)圈、補強板(ban)或采用其他(ta)形式的支撐(cheng)。支撐(cheng)圈與插(cha)入(ru)(ru)管(guan)(guan)(guan)之間的間隙充滿黏性流體會顯著增加阻尼,從而抑(yi)制插(cha)入(ru)(ru)管(guan)(guan)(guan)的共振。


管(guan)(guan)道(dao)(dao)器材選用(yong)需要參考的(de)配(pei)管(guan)(guan)設(she)計、管(guan)(guan)道(dao)(dao)應(ying)力分(fen)(fen)析內(nei)容見《工(gong)(gong)業管(guan)(guan)道(dao)(dao)配(pei)管(guan)(guan)設(she)計與工(gong)(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)》《管(guan)(guan)道(dao)(dao)應(ying)力分(fen)(fen)析與工(gong)(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)》的(de)詳(xiang)細講(jiang)述。