某国际机场除冰加液站除冰液加注系统管路共振问题分析、应对与探讨

杨 涛 付志水 段崇龙

（1.河北建设集团有限公司，河北 保定071000；2.围场满族蒙古族自治县质量技术监督局，河北 围场068450）

1 工程简介

某国际机场有限公司除冰加液站建筑设施包括：除冰加液大厅、控制值班室、电气设备间、设备存放间等功能房间，建筑面积774 m2，二期工程包括：车库、消防站等，占地面积38000余m2，是中国最大的除冰液加注站，对保障机场航班的正常运营具有重要意义.

核心功能系统—除冰液加注系统包括：Ⅰ型除冰液加注系统、Ⅱ型除冰液加注系统、除冰液吸液系统、加热水系统.除冰液采用纯度为99.99%丙二醇，密度为1100 kg／m3.

2 除冰液加注系统管路系统简介

2.1 Ⅰ型除冰液加注系统：系统由4组独立的加注泵，每组3台.加注泵采用BDY-100型电动隔膜泵，变频工作，每组最大供液量：60 m3／h.典型系统简图如图1.加注泵标况性能参数表如表1.

表1 加注泵标况性能参数表

2.2 Ⅱ型除冰液加注系统：系统由2组独立的加注泵，每组4台.加注泵采用BDY-100型电动隔膜泵，变频工作，每组最大供液量：80 m3／h.系统简图如图-2.

2.3 Ⅰ型除冰液加注系统液－水混合配比说明：液－水混合配比按体积比通过调节管道上的电动阀开度及加注泵工作频率调整达到调节控制液－水混合配比.

2.4 管道支架形式：参照相关规范及图集，采用如下管道支架形式，见图-3.

2.5 加注泵安装：加注泵安装形式，见图-4.厂家配供隔震器采用JG3-2型橡胶隔震器

3 管路共振问题的分析及其应对措施

因丙二醇与水密度相似，粘度接近，所以，采用以水代替丙二醇的试运行方案，以大规模降低成本，待负荷调试时再予以微调.

3.1 问题一：首先试运行Ⅰ型除冰液加注系统.启动1台加注泵，泵体即随隔膜泵内部连杆摆动在隔震器顶部水平位置左右方向水平强烈摆动，并带动A管段纵向强烈摆动，振幅有小变大，第5秒后，其管路摆动竟迫使槽钢支架在垂直方向产生近15°的强烈摆动.若启动第二台加注泵，则可能危害系统安全，试运行暂停.

图1 Ⅰ型除冰液加注系统简图

图2 Ⅱ型除冰液加注系统简图

分析：隔震器可大幅降低对应频率的轴向振动，但对侧向振动作用很小，本案中，橡胶隔震器既抬高了泵体又不能有效抑制侧向振动，隔膜泵内部连杆产生的振动带动了泵体产生了强烈振动.而管路则产生了强烈的受迫振荡，通过振动幅度从小到大逐步累积的现象看，可以判定，管路系统与泵振动产生了共振.而共振产生的原因就是管路（或部分管路）的固有频率与泵振动频率——本案振源—致或接近.

应对措施：全部泵座由2根通长12＃槽钢满焊连接形成整体，紧贴每台泵基础两侧向下采用12＃槽钢满焊制作限位立柱，使隔震器即可发挥作用，又限制泵体水平摆动.

效果：全部启动加注泵，泵体基本没有水平摆动，问题解决.

图3 管道支架形式简图

图4 加注泵安装简图

3.2 问题二：重启一台加注泵，第5秒内，A管段及其立管随泵的注水频率产生轻微纵向摆动，第5秒后，幅度逐渐加大，第20秒后，A管段纵向强烈摆动已迫使槽钢支架在垂直方向产生近15°的强烈摆动.同时启动2台加注泵，第20秒后，A管段纵向摆动已可能危害系统安全，同时启动3台加注泵，第15秒后，A管段纵向摆动已可能危害系统安全，试运行暂停.通过变频技术，改变加注泵的工作频率，调至2秒∕次，则同时启动3台加注泵亦无明显摆动.对Ⅱ型除冰液加注系统及吸液系统试运行，管路系统均产生了类似的问题.

原因分析：从管路系统振动频率与泵的注水频率相同，及振动幅度从小到大逐步积累的现象看，可以判定，管路系统的固有频率因与泵的注水振动频率接近从而产生了共振.改变注水频率后摆动基本消失，又是对前面结论的验证.

措施讨论：此时，现场产生了3种意见：1.做大型门字架，与管道固定，与地面生根，高度h＝3m，固定管道系统.2.支架与管道之间垫橡胶垫缓冲振动.3.对现有支架进行斜撑加固，固定管路系统.经讨论，认为意见3在施工便捷性、经济性及可靠性方面较为稳妥.决定在管段A上进行试验.支架斜撑加固简图如图-5所示.综合考虑支撑力与槽钢本身的挠度，决定斜撑夹角为45°.

试验结果：重启一台加注泵，A管段及其立管随泵的纵向摆动被明显遏制.同时启动3台加注泵，A管段及其立管仍然没有明显摆动.试验成功.然而，B管段发生了与A管段相似的摆动，且同时启动3台加注泵，第20秒后，纵向摆动已可能危害系统安全，试运行暂停.

问题分析：可以判断，B管段产生摆动原因与A管段相同.

图5 支架斜撑加固简图

措施论证：由于拟定的应对措施将对结构产生振动载荷，故邀请了工程给排水设计师、结构设计师、总设计师到现场进行实际观测评估，结论是：现有结构可以承受当前振动载荷.

措施确定：在Ⅰ型除冰液加注系统、Ⅱ型除冰液加注系统、除冰液吸液系统的首节主管段全部支架及改变方向后管段的前2个支架进行斜撑加固.

效果：全部启动加注泵，管道系统的摆动被基本遏制，问题解决.

4 本案中系统共振问题的经验、借鉴与探讨

4.1 由问题1可以看出，隔膜泵与轴流泵、离心泵等不同，尤其水平两侧对置机头的隔膜泵，因较低的频率特征，对竖向隔震要求很低，设置隔震器反而会产生不利情况，因此，在通常条件下，可以不考虑设置隔震器，而将隔膜泵直接固定安装在基础上，从而避免泵本体成为振源.

4.2 由问题2可以看出，隔膜泵系统注水的频率特征非常明显，而且越接近泵出口表现越强烈，是管路系统产生受迫振动的振源.设计管路系统时，应重点对各可能产生振动的管段的固有频率进行评估，避免与系统注水的频率接近而产生共振，对系统产生不利影响.

4.3 目前，业界对管路系统的固有频率的研究尚不深入普及，对管路系统整体及分部固有频率的评估存在困难.因此，对此类系统进行设计时，可优先考虑管路系统全部或部分埋地布置，以期解决管路系统共振问题.

［1］陈斌，邢志伟，王立文.飞机除冰车除冰液管路系统压力控制方法的研究.机床与液压，2009（8），129～131