往復式壓縮機管線振動消減措施探討

李永忠

（蘭州石化公司 蘭州）

蘭州石化公司助劑廠年產2萬噸順酐裝置，使用的4臺氫壓縮機是裝置的關鍵設備，均為往復式壓縮機，工作特點是氣缸進行周期性往復運動，吸排氣呈間歇和周期性，管道內氣體造成出口管線劇烈振動。管線長期振動會造成材料的機械疲勞破壞，從而引起重大事故。

一、設備主要運行參數

壓縮機是無錫壓縮機股份有限公司生產，2新氫壓縮機型號DW-1.7/（9.5-33）-X，轉速490 r/min，壓縮介質為氫氣，流量1.7 m3/min，進口壓力 0.95～1.3 MPa，出口壓力 3.3 MPa，功率75 kW。2臺循環氫壓縮機，型號PW-3.8/（27.2-33）-X，轉速420 r/min，壓縮介質為氫氣及烴類，流量3.8 m3/min，進口壓力2.72 MPa，出口壓力3.3 MPa，功率75 kW。

二、設備管線運行振動原因分析

1.設備結構原因

往復式壓縮機的結構工作特點是吸、排氣呈間歇性和周期性，使管內氣體呈脈動狀態,氣體參數溫度、壓力的變化，又隨時間做周期性變化。當脈動的氣體沿管道輸送時，遇到彎頭、大小頭、閥門、控制閥等元件時將產生隨時間變化的激振力，受此激振力的作用，管道結構及附件便產生一定的機械振動響應，這就決定了設備進出口管線會隨管內流體出現一定程度的振動。目前車間使用的壓縮機共有0，50%，100%等3個負荷操作擋。在實際操作過程中，壓縮在0負荷時平均振動數值為2.5 mm/s，100%負荷時平均振動數值為10.4 mm/s。

2.共振原因

在往復式壓縮機的實際運行過程中存在著3個頻率。即管道內氣體形成的氣柱固有頻率。管道、支架、管件等組成的管道系統機械固有頻率以及壓縮機活塞往復運動形成的激發頻率。在氣柱固有頻率與激發頻率相近時，發生氣柱共振，產生較大的壓力脈動。管道系統機械固有頻率與激發頻率或氣柱的固有頻率相近時產生結構共振。因此工程上常把系統固有頻率的0.8～1.2倍頻率的范圍作為共振區，只要激發頻率落在該頻率區內，系統就發生較大的振動。實際操作中，壓縮在50%操作負荷時，產生巨大的結構共振現象，振動數值平均在15 mm/s以上。

3.對策

從上面的分析可以看出，壓縮機在50%負荷運行時存在共振現象。100%負荷運行時振動數值偏大。這些都對壓縮機的平穩運行造成很大的不安全隱患，因此要采取切實可行的辦法和措施。

在壓縮機周期性排氣與吸氣的激發下，引起氣柱振動，造成管道氣流的壓力脈動。壓力脈動作用在管道的轉彎處或截面變化處，激起管道做機械振動，在氣柱頻率與管道結構的固有頻率相近時，就會引起管道產生共振。

一般振動是考慮各種實際因素的實際振動，伴隨有摩擦，空氣阻力等能量損失，最終系統會因能量的缺失而停止。在某一個極短的時間段內，對系統進行分段分析，可以近似按照簡諧振動來分析。簡諧振動的周期公式見式（1）。

式中T——周期

m——質量

k——比例系數

g——重力加速度

實際中，k可以表示不同的含義，例如：在單擺做簡諧運動時，k=mg/L 代入式（1）即得 T=2π（L/g）1/2。因此，在原有系統中增加一些約束，就會改變原系統的質量和比例系數（即k值）從而達到改變系統的頻率，避免共振現象。

三、調整管道系統機械固有頻率

1.管線和管架之間增加防振管卡

在壓縮機進出口管線在管架接觸的部位總共增加了7根長度為230 mm,直徑為16 mm的U形防振固定卡。目的是減少管線的柔性，增加管線剛度。結構如圖1中2，3所示。

圖1 防振固定卡

2.管線和管架之間增加防振設施

為保證壓縮機進出口管線在管架處的充分接觸，在5根U形防振固定卡的安裝部位增設5 mm厚的橡膠墊，目的是起到吸振和減振效果。結構如圖 1中 1，4所示。

3.增大管線支撐的剛性基礎

原來的管線支撐沒有剛性基礎，支撐的剛度很差。重新制作長寬高為50 cm×50 cm×65 cm的砼結構剛性基礎，增加支撐的慣性質量，目的是增加支撐的剛性。結構如圖2。

圖2 砼結構基礎

4.管線支撐之間增加剛性聯結

在原有的2根壓縮機出口管線與2根管線支撐之間，增加2道（16#槽鋼）橫向連接桿。目的是降低支撐的柔性，增加支撐的剛性。結構如圖3。

圖3 橫向連接桿

5.調整管道氣柱的固有頻率

查閱大量設計資料和文獻資料后認為，選擇合適的部位增設孔板，就可以調整和改變管道氣柱的固有頻率。在壓縮機進口緩沖罐D-1104的進口增加孔板1塊；在壓縮機出口緩沖罐D-1105的進口增加孔板1塊，管線規格為Φ108 mm×5 mm，材料20#鋼，目的是改變管道氣體的脈動波形（圖4）。

圖4 孔板安裝位置

圖5 孔板結構尺寸

消振孔板（圖5）的孔徑要經過壓力脈動計算確定，一般孔徑比為0.43～0.5,厚度為3～6 mm，且孔板內徑邊緣處必須保留銳利棱角，通常安裝在緩沖罐的進出口處.由于氫氣是低速氣體，設D為孔板安裝處管道內徑，d孔板內徑，h孔板厚度。取d/D=0.5，孔板直徑：d1=50 mm，D1=100 mm，h1=6 mm，d2=50 mm，D2=100 mm，h2=6 mm。

4.經驗和教訓

壓縮機平穩運行過程中的安全問題至關重要。壓縮機管道振動是一個很復雜的問題，它同設備的設計質量、制造質量、管道的配置、管架的合理設置以及設備基礎的施工質量等諸多因素有關。因此需要設計單位、設備制造商、施工承包商、工程監理、工程建設方（業主）等多方的大力協作。

設計單位和設備制造商協作是最重要的，因為只有這樣才會避免因設計單位、設備制造商相互脫節而造成先天的不足，給設備的安全運行埋下難以治理的安全隱患。只有這樣才能設計和建造出安全、經濟、優質的壓縮機平穩運行的環境，為企業的發展創造可觀的經濟效益。

四、效果及評價

1.管線振動數值大幅降低

在氫氣壓縮控制操作參數在100%的操作條件下，改造前氫氣壓縮機出口管線振動數值為：8.9，9.6，11.3，11.2，12.8，9.6，9.5 mm/s，平均 10.4 mm/s；改造后管線振動數值為：2.5，2.6，2.7，2.6，2.5，2.5，2.4 mm/s，平均為 2.5 mm/s。可以看出，改造后管線的振動數值大幅度降低，消除了存在的不安全隱患。

2.消除了共振現象

目前壓縮機在0，50%，100%等負荷運行下均能平穩運行，尤其是在 50%負荷運行時振動數值為：15.5，15.6，16.3，16.2，16.8，15.6，16.5 mm/s，平均 16.1 mm/s；改造后管線振動數值為：2.2，2.3，2.3，2.4，2.6，2.5，2.4 mm/s，平均 2.4 mm/s，未再發生共振現象。

3.改造方案有推廣價值

改造方案于2012年8月實施后，壓縮機已經平穩運行了50個月，管線振動數值平均在2.4～2.5 mm/s。表明壓縮機進出口管線劇烈振動的問題已經根治。