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。
1. 渦激頻(pin)率的(de)計算
管內流(liu)(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)(liu)過(guo)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)計(ji)插(cha)入(ru)管時(shi)，會形成兩列幾乎(hu)穩定的、非對稱的、交替脫落的、旋轉方(fang)向相反(fan)的渦(wo)流(liu)(liu)(liu)（即卡(ka)門渦(wo)街），從而產生周期(qi)性變化的沿流(liu)(liu)(liu)動方(fang)向及垂直流(liu)(liu)(liu)動方(fang)向的力(li)作用到(dao)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)計(ji)插(cha)入(ru)管。當渦(wo)脫頻率與(yu)流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)計(ji)插(cha)入(ru)管固有頻率接近時(shi)，則引起流(liu)(liu)(liu)量(liang)(liang)計(ji)插(cha)入(ru)管共振，嚴重時(shi)導(dao)致疲勞斷裂，如圖1.1.8所(suo)示。
流(liu)量計插(cha)入管渦激頻(pin)率(lv)可按式(shi)（1.1.1）估算：
當黏度不確定時，斯特勞哈爾數Sr近似選取0.22。
2. 流量計(ji)插入管(guan)固有頻(pin)率計(ji)算(suan)
流量計插入管固有頻率計算，見式（1.1.4）和圖1.1.9。
對于直形(xing)插入(ru)管(guan)，Da為插入(ru)管(guan)直徑(jing)；對于錐(zhui)形(xing)插入(ru)管(guan)，Da=(A+B)/2；對于階梯形(xing)插入(ru)管(guan)，Da=A。
初步(bu)計算插入(ru)管固(gu)有(you)頻率后(hou)，再(zai)考慮形狀(zhuang)、介質、質量、安(an)裝等修正系數(shu)，最終確定安(an)裝狀(zhuang)態下(xia)套(tao)管的固(gu)有(you)頻率。
3．頻(pin)率校核(he)
在進行校核(he)時(shi)，至少要(yao)保(bao)證渦激(ji)頻(pin)率與(yu)套管固(gu)有頻(pin)率錯開20％。由于流(liu)動方向(xiang)的(de)(de)(de)激(ji)勵頻(pin)率和垂(chui)直流(liu)動方向(xiang)的(de)(de)(de)激(ji)勵頻(pin)率不同，校核(he)時(shi)兩個(ge)方向(xiang)的(de)(de)(de)頻(pin)率均應(ying)考慮(lv)，即介(jie)質流(liu)速(su)要(yao)避開圖1.1.10中(zhong)灰色部分的(de)(de)(de)流(liu)速(su)。在進行渦激(ji)頻(pin)率計(ji)算時(shi)，除(chu)了考慮(lv)正常(chang)操(cao)(cao)作工(gong)況(kuang)的(de)(de)(de)介(jie)質流(liu)速(su)外(wai)，還應(ying)考慮(lv)可能存在的(de)(de)(de)超出正常(chang)操(cao)(cao)作工(gong)況(kuang)流(liu)速(su)的(de)(de)(de)情況(kuang)，如(ru)啟機、停機和壓力泄放等工(gong)況(kuang)。
4．渦激振動(dong)工況(kuang)管道器材選用(yong)設計要點
a. 接(jie)頭(tou)連(lian)接(jie)件(jian)的選(xuan)用(yong)。如圖1.1.11所示，接(jie)頭(tou)連(lian)接(jie)件(jian)的選(xuan)用(yong)錯誤在工(gong)(gong)程設計中經常(chang)(chang)發生。有(you)的工(gong)(gong)程管道(dao)專業(ye)把儀表連(lian)接(jie)件(jian)選(xuan)用(yong)的分工(gong)(gong)劃(hua)給(gei)儀表專業(ye)，因這種(zhong)儀表經常(chang)(chang)用(yong)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)的，如果管道(dao)為碳鋼(gang)(gang)(gang)的，因專業(ye)分工(gong)(gong)不清楚，造成施工(gong)(gong)現場不銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)與碳鋼(gang)(gang)(gang)直接(jie)焊接(jie)，雖然有(you)異種(zhong)鋼(gang)(gang)(gang)焊接(jie)方法，但是在施工(gong)(gong)現場較難保證質量。這種(zhong)情(qing)況常(chang)(chang)應按(an)照圖1.1.11（g）、（f）選(xuan)用(yong)，用(yong)法蘭(lan)過渡連(lian)接(jie)。
b. 為(wei)了避免套(tao)管產生共振，需要盡可能提高套(tao)管固有頻(pin)率(lv)或(huo)降低渦激頻(pin)率(lv)。
①. 減小插入管長度
根據(ju)插(cha)入(ru)管(guan)固有(you)頻率計算(suan)公式(shi)可知，插(cha)入(ru)管(guan)固有(you)頻率與(yu)長度(du)L的平方成(cheng)反比。因此，在保證測量精度(du)的前提下，減小L可以有(you)效提高插(cha)入(ru)管(guan)固有(you)頻率。
②. 增大插入管支撐處直徑
增大插(cha)入(ru)管(guan)支撐處直徑A也會提(ti)高固有頻率，采用錐(zhui)形(xing)插(cha)人管(guan)和階梯形(xing)插(cha)人管(guan)通常優于直形(xing)插(cha)入(ru)管(guan)。
③. 降低(di)流速
渦激(ji)頻率(lv)與介質流速(su)成正比關系，在工況允許的(de)條件(jian)下，降低流速(su)可以有效降低渦激(ji)頻率(lv)，從而(er)避免插入管共振。
④. 安(an)裝(zhuang)位置
為了(le)避(bi)免不穩定流的耦合，插(cha)入管(guan)安裝(zhuang)應(ying)避(bi)開閥門、三(san)通、孔板等附近(jin)位置。
⑤. 設置(zhi)支撐圈
有(you)的工(gong)程直接(jie)(jie)在(zai)主管(guan)上開孔，未設(she)置管(guan)接(jie)(jie)頭就(jiu)把儀表連接(jie)(jie)件插(cha)入并焊接(jie)(jie)，造(zao)成了事(shi)故隱患，除了這種流量計插(cha)管(guan)，還有(you)溫度計插(cha)管(guan)等類(lei)似情況，連接(jie)(jie)件可設(she)置支撐(cheng)(cheng)圈、補(bu)強(qiang)板或采(cai)用其他形式的支撐(cheng)(cheng)。支撐(cheng)(cheng)圈與(yu)插(cha)入管(guan)之間(jian)的間(jian)隙充滿黏(nian)性流體會(hui)顯著增加阻尼，從而抑制(zhi)插(cha)入管(guan)的共振。
管(guan)道器材選用需要(yao)參考的配(pei)管(guan)設(she)計(ji)、管(guan)道應力分(fen)析(xi)(xi)內(nei)容見《工(gong)業(ye)管(guan)道配(pei)管(guan)設(she)計(ji)與(yu)工(gong)程應用》《管(guan)道應力分(fen)析(xi)(xi)與(yu)工(gong)程應用》的詳細講(jiang)述。
