Муратов З.Т.
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ НА РАБОТУ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ *
Аннотация:
в работе рассмотрены вопросы проблем вибраций в компрессорных системах. Влияние вибраций на технологические трубопроводы являются сложными динамическими процессами, способные нанести большой ущерб сопутствующим оборудованиям и трубопроводам.
Ключевые слова:
вибрации, трубопроводная система, нагрузки, вибрационное воздействие, разрушение
DOI 10.24412/2712-8849-2025-586-979-985
Возникновение вибраций в компрессорных системах представляет собой сложное динамическое явление, способное привести к серьезным последствиям для всего технологического оборудования. Эти нежелательные колебательные процессы, порождаемые ранее указанными источниками, создают циклические механические нагрузки, которые со временем вызывают усталостные повреждения материалов и соединений. Постепенное накопление микродефектов под воздействием вибрации в конечном итоге может спровоцировать катастрофические отказы критически важных узлов и агрегатов.Особую проблему представляют вибрации трубопроводных систем, где колебательные процессы развиваются под комплексным воздействием нескольких факторов. Основным возмущающим воздействием выступают пульсации потока рабочей среды, возникающие из-за особенностей работы компрессорного оборудования и изменения параметров транспортируемого вещества. Эти гидродинамические возмущения взаимодействуют с конструкционными элементами, создавая резонансные явления при совпадении частот. Дополнительным негативным фактором становится механическое влияние от смежного оборудования, передающееся через опорные конструкции и создающее сложную картину распределения вибрационных нагрузок [3].Характер распространения вибраций по трубопроводной системе отличается нелинейной зависимостью от множества параметров, включая жесткость креплений, массогабаритные характеристики, температурные условия эксплуатации и физико-химические свойства транспортируемой среды. Особенно опасными становятся случаи, когда частота вынужденных колебаний приближается к собственным частотам элементов конструкции, что приводит к резкому возрастанию амплитуды вибрации. Такие резонансные режимы способны в кратчайшие сроки вызвать разрушение сварных швов, ослабление фланцевых соединений и повреждение компенсаторов.Длительное воздействие вибрационных нагрузок приводит к прогрессирующей деградации материалов, проявляющейся в виде трещин усталости, износа опорных поверхностей и нарушения геометрии трубопроводов. Особенно уязвимыми оказываются зоны концентрации напряжений – места изменения сечения, ответвления и участки с нарушенной схемой крепления. Постепенное развитие этих дефектов снижает прочностные характеристики конструкции и в конечном итоге может привести к разгерметизации системы с потенциально тяжелыми последствиями.В научной литературе, посвященной исследованиям трубопроводных систем компрессорных станций, выявлен комплекс взаимосвязанных факторов, создающих предпосылки для возникновения аварийных ситуаций. Наибольшую опасность представляют деформации, превышающие допустимые нормативные значения, которые развиваются под воздействием совокупности статических и динамических нагрузок. Эти деформации усугубляются сезонными изменениями свойств грунта, приводящими к неравномерной осадке опорных конструкций, и дефектами в работе опорных узлов, теряющих свои демпфирующие свойства со временем.Особую роль в этом процессе играют вибрационные явления, возникающие преимущественно из-за гидродинамических особенностей транспортируемого потока. При детальном анализе установлено, что пульсации потока рабочей среды являются первичным источником колебаний, причем их интенсивность имеет четкую корреляцию с диаметром трубопровода. Увеличение поперечного сечения потока приводит к существенному росту энергии радиальных колебаний высокочастотного диапазона. Эти колебания создают значительные циклические нагрузки на стенки труб, вызывая резонансные явления в конструкции [1].Физика процесса заключается в том, что при больших диаметрах труб формируются сложные турбулентные структуры потока, характеризующиеся нестационарным характером течения. Возникающие при этом пульсации давления приобретают выраженный пространственно-временной характер, создавая распределенную нагрузку по внутренней поверхности трубопровода. Особенно опасными становятся ситуации, когда частота этих пульсаций совпадает с собственными частотами колебаний трубопроводной системы, что приводит к резкому увеличению амплитуды вибрации.Наблюдаемая стабильность частоты вибрации при фиксированных режимах работы свидетельствует о наличии четкой корреляции с конкретными источниками возбуждения, каждый из которых обладает характерным частотным спектром. Однако при изменении эксплуатационных условий, особенно при переконфигурации работающего агрегатного оборудования, отмечается существенная трансформация вибрационной картины, требующая детального рассмотрения нескольких аспектов.С одной стороны, модификация частотного спектра может быть обусловлена изменением характеристик первичного источника возбуждения. При смене комбинации работающих машин происходит перераспределение энергетического спектра пульсаций потока, что непосредственно влияет на вынуждающие силы, действующие на трубопроводную систему. Особенно значительные изменения наблюдаются при переходе с одного типа компрессорного агрегата на другой, когда существенно меняется как амплитудный, так и частотный состав гидродинамических возмущений.С другой стороны, необходимо учитывать возможные изменения в динамических характеристиках самой трубопроводной системы. Перераспределение потоков рабочей среды при изменении режимов эксплуатации приводит к модификации таких параметров, как эффективная масса системы, жесткость столба жидкости и демпфирующие свойства потока. Эти изменения могут вызвать сдвиг собственных частот механической конструкции, что в свою очередь влияет на ее отклик на внешние возмущения. Особенно заметно этот эффект проявляется в системах с выраженной нелинейностью характеристик [2].Важным аспектом является также возможное изменение условий сопряжения трубопровода с другими элементами системы. При переключении рабочих режимов может происходить перераспределение нагрузок на опорные конструкции, изменение температурного поля и, как следствие, модификация граничных условий. Эти факторы способны существенно повлиять на динамические характеристики всей системы, изменяя как собственные частоты, так и формы колебаний [2].Особую сложность для анализа представляет взаимодействие между изменяющимися параметрами гидродинамической системы и модифицирующимися механическими характеристиками. Наблюдаемые частотные сдвиги могут быть результатом комплексного влияния нескольких факторов: 1) изменения спектрального состава гидродинамических возмущений, 2) модификации акустических характеристик потока, 3) вариаций эффективной жесткости системы, 4) изменения демпфирующих свойств.Практический опыт показывает, что наиболее значительные изменения вибрационных характеристик происходят в случаях, когда модификация режимов работы приводит к одновременному изменению как параметров возбуждения, так и динамических свойств системы. Это особенно характерно для переходных процессов при пуске, остановке или переключении оборудования, когда могут наблюдаться сложные нестационарные вибрационные явления.Вибрационное воздействие на элементы трубопроводных систем и технологического оборудования вызывает сложные процессы деформационного изменения структуры материалов. При длительном циклическом нагружении в металлических конструкциях развиваются последовательные стадии деформационных преобразований, начиная с обратимой упругой деформации, при которой атомная решетка временно искажается без нарушения межатомных связей. Однако при превышении определенного порога интенсивности или длительности вибрационного воздействия происходят необратимые изменения - пластические деформации, сопровождающиеся неупорядоченным смещением дислокаций и образованием новых дефектов кристаллической структуры.Особую опасность представляют динамические нагрузки вибрационного характера, которые в отличие от статических воздействий вызывают ускоренное накопление повреждений за счет явления усталости материала. Этот процесс развивается через образование микротрещин в зонах концентрации напряжений - местах изменения сечения, сварных швах, участках коррозионного поражения. Постепенное развитие усталостных повреждений приводит к макроскопическим изменениям геометрии деталей: появляются остаточные прогибы, местные вмятины, коробление поверхностей. В трубопроводах это особенно проявляется в виде овализации сечения, искривления оси, нарушения соосности фланцевых соединений.При воздействии знакопеременных крутящих моментов, характерных для вибрационных процессов, в материале возникают сложные напряженные состояния, приводящие к развитию сдвиговых деформаций. Когда величина крутящего момента превышает расчетные значения, происходит сначала пластическое скручивание, а затем хрупкое или вязкое разрушение в зависимости от свойств материала и условий нагружения. Аналогично, избыточные осевые нагрузки вызывают последовательное развитие деформаций от равномерного сжатия/растяжения до местной потери устойчивости стенок и окончательного разрушения [1].Особенностью вибрационного разрушения является его кумулятивный характер - каждый цикл нагружения вносит свой вклад в процесс накопления повреждений, даже если отдельные нагрузки значительно меньше предельных статических. Этот эффект усугубляется при наличии резонансных явлений, когда относительно небольшие по амплитуде, но точно подобранные по частоте воздействия вызывают непропорционально большие деформации. В результате даже тщательно рассчитанные конструкции могут преждевременно выходить из строя из-за непредусмотренных вибрационных воздействий, неучтенных при проектировании [2].Таким образом, вибрационные процессы оказывают комплексное негативное воздействие на трубопроводные системы, существенно снижая их надежность и долговечность. Проведенный анализ показывает, что вибрации, возникающие вследствие гидродинамических пульсаций потока, механических воздействий оборудования и резонансных явлений, приводят к прогрессирующему накоплению повреждений в элементах трубопроводов.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 2
Ссылка для цитирования:
Муратов З.Т. ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ НА РАБОТУ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ // Вестник науки №5 (86) том 2. С. 979 - 985. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/22948 (дата обращения: 20.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+