往復式壓縮機管系控振方法研究

劉春雷

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

往復式壓縮機管系控振方法研究

劉春雷

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

往復式壓縮機附屬管系的振動問題是石化企業普遍存在的問題之一，如何有效地控振，對企業的安全生產有著重要的意義。本文首先從理論上闡述了管系產生振動的根本原因，然后考慮了管道設計、制造、施工等方面的因素，給出了有效的消振處理措施。

往復式壓縮機；管系；振動；管道設計

往復式壓縮機是石油化工裝置的核心設備之一，由于其自身結構的原因，使機組本身及其附屬管系存在不同程度的振動問題。其中，管系的振動對壓縮機的工藝性能有一定的影響，甚至會使管道自身產生疲勞破壞，對企業的安全生產構成嚴重威脅。本文首先分析了管系產生振動的根本原因，然后主要從管道設計的角度出發，給出了相應的減振建議。

1 管系振動的根本原因

化工裝置中，與壓縮機相關連的設備及其管道構成了一個復雜的機械振動系統，該系統受其內部結構及外部條件的影響，存在著潛在的振動傾向，影響該振動系統的因素便是管系產生振動的根本原因，主要體現在以下幾個方面：

1．1 流體脈動

往復式壓縮機吸排氣的間歇性和周期性使管道內流體的速度、壓力、密度等參數隨時間和位置呈周期性的變化便是流體脈動。脈動流體在管系中遇到管件、閥門等原件，便會產生隨時間變化的激振力，受該激振力的作用，壓縮機附屬管系便產生一定的振動響應。事實證明，流體的壓力脈動的幅度越大，管系的振動響應就越大，壓力脈動的幅度可由壓力不均勻度來衡量，其量化表達式為[1]：

(1)

式中：PMAX——壓力最大值；

PMin——壓力最小值；

﹠——壓力不均勻度；

P0——壓力平均值。

根據API618的標準，當管內流體壓力在0.35MPa-20.7MPa時，壓力不均勻度可按式(2)來表示[2]：

﹠=126.77/(pdf)1/2

(2)

式中:p——管內平均絕對壓力，MPa；

d——管道內徑，mm；

f——激振頻率，Hz。

激振頻率可由式(3)計算[2]：

f=nm/60；

(3)

式中 n——壓縮機轉速，r/min；

m——激發頻率的階次，單作用氣缸時m=1，雙作用氣缸時m=2；

上述表達式明確了影響流體脈動的參數，為我們從根本上控制管系振動提供了理論依據，但是，管系受往復式壓縮機吸排氣特點和工藝流體參數的影響，完全避免流體脈動是不客觀的。由于壓力不均勻度迫使管系出現振動的傾向是真實存在的，因此，如何從管道設計的角度考慮有效控振是一項重要的工作。

1.2 管系共振

壓縮機附屬管系與其內部氣柱所構成的系統具有一定的固有頻率，當壓縮機的激振力頻率與該系統的固有頻率接近時，便會產生共振，共振使管系產生較大的位移和應力，管系有疲勞破壞的傾向。管系固有頻率是研究管系共振的一個重要參數，理論上可以通過下式計算[1]：

(4)

式中：λ撐型式系數，剛性支撐λ=3.74，鉸接時λ=3.14；

E——彈性模量， N/c ；

J——截面慣性矩，c ；

m——管系質量，kg；

L——管系支撐長度。

工程實踐表明，當壓縮機的激振力頻率處在0.8～1.2倍管系固有頻率區間時，管系會產生共振，引起共振的激振力頻率為低階頻率，共振狀態下的管道長度為共振管長，共振管長為我們調整支架間距提供了理論保障，可表示如下[3]：

與一階激發頻率相對應的共振管長為：

(5)

與二階激發頻率相對應的共振管長為：

(6)

式中:c——管道中流體的聲速，m/s；

f——激振頻率。

壓縮機附屬管系布置完成后，可以簡單修改的參數是管系支撐長度，適當降低該值，管系的固有頻率顯著提高，對避開管系機械共振有著積極的意義。在調整管系支撐長度的同時，要注意該值要避開低階激發頻率對應的共振管長。

1.3 制造安裝問題造成的振動

理論上講，制造安裝誤差所產生的誘發振動的因素是可以避免的，如果制造商對壓縮機的運動機構動平衡設計合理，其所產生的機組及管系振動都會處在合理的區間。API617對壓縮機的底板和墊板安裝有明確的規定，按標準安裝就可以有效地降低管系的振動。

2 管系控振的方法

針對上述管系產生振動的原因，可以從壓縮機制造商、管道設計、施工3個方面共同努力，把壓縮機附屬管系的振動控制在最合理的范圍之內。

2.1 制造商的控振方法

從壓縮機本體結構出發，以便從根源上控制流體脈動，是壓縮機制造商的主要工作。目前主要有兩種控振方法，其一，是安裝緩沖罐，該方法利用對能量的儲存作用，對進排氣壓力波進行限制，從而起到降低壓力脈動的作用，此罐安裝位置都靠近氣缸，減振效果明顯。緩沖罐的大小，對減振效果起重要作用，根據API618的規定，緩沖罐容積的最小值可按下式計算[4]。

(7)

(8)

式中：Vs——需要的最小吸入緩沖罐容積， m3；

Vd——需要的最小排出緩沖罐容積， m3；

PD：與入口緩沖罐相連的氣缸每轉從緩沖罐吸取的凈容積，m3；

K——氣體絕熱指數；

Ts——入口絕對溫度，K；

M——氣體分子量；

R——氣缸的級間壓縮比。

其二，是在壓縮機組進出口緩沖罐處增加孔板來降低脈動壓力不均勻度，但孔板只能安裝在緩沖罐的進出口法蘭處，否則無法起到消振作用。

孔板雖然降低流體的壓力不均勻度，但同時也增加了流體的壓力降。通常情況下，孔板的孔徑比為(孔板內徑/管道內徑)05～0.43，孔板內徑邊緣處必須保留銳利棱角，不得倒角，否則效果會降低。孔板厚度一般為3～5mm，太厚會增加局部阻力損失，并且產生噪音。孔板的材料與管道材料相同，型式要與緩沖罐法蘭密封面型式相匹配。緩沖罐和孔板是互為一體的減振元件，合理的利用他們，對壓縮機系統減振有著積極的意義。

2.2 管道設計的控振方法

從前面管系產生振動的原因中可以看出，壓縮機的激振力頻率是一個重要的參數，當裝置運行后，該值已經無法改變，但改變管系固有頻率及氣柱共振管長等參數，對于管道設計專業來講，在一定程度上是可以做到的。目前，管道設計專業把壓縮機附屬管系的布置及支撐形式提供給制造商，由其計算工作狀態下管系的振動情況，并可能做出相應的調整。但管道設計專業在進行委托計算之前應該充分考慮以下幾個方面，以便更好地控振。

(1)由于壓縮機的本體結構及其基礎的高度已經由制造商確定，管道設計時應該考慮管道的布置盡量沿地面布置，以降低管系重心及方便設置獨立的抗振支架。

(2)在滿足管系柔性的同時，管道布置盡量短，減少三通、彎頭等的使用，以增加管系的剛度及固有頻率，進而減緩激振反力對管道的影響。

(3)壓縮機進出口的小口徑分支管，在分支的適當位置也需要設計生根在地面上的支架，以預防振動傳遞及分支管根部的疲勞破壞。

(4)由于受壓縮機廠房空間及壓縮機安裝位置的限制，依靠改變管道布置方式來改變管系的固有頻率的方法并不多，目前主要考慮利用調整支架的位置來實現，以避開共振區。

(5)壓縮機廠房內布置的進出口管線，可以使用大曲率半徑彎頭(R=3D或R=6D),以此來減少激振反力。

(6)一開一備的壓縮機進出口管線合并時，可以使用開口焊加補強板的形式，以減少局部阻力。

(7)無論是流體脈動還是共振，合理設置支架都是一個簡潔的控振方法，目前支架都采用管墩與防振管卡結合的形式，但是支架的位置和間距需要更加準確地把握，它們對控振尤為重要。

3 結語

往復式壓縮機的管系振動是壓縮機管道設計的核心問題，安裝緩沖罐、孔板對控振起到了一定的積極作用，在此基礎上，管道設計專業要把管道柔性和振動結合起來，力求管道布置簡單，支架設置合理，通過理論分析和反復調整，把管系振動控制在合理的區間。

[1] 劉允剛，段禮祥，么子云．往復式壓縮機管線振動原因識別方法綜述[J]．壓縮機技術，2010(3)：7-11．

[2] 張 京，胡躍華．往復式壓縮機管道的消振處理措施[J]．配管技術，2007,24(4)：18-20．

[3] 梁 瑞，周 濤，曹 鑫．往復式壓縮機管線振動數值分析[J]．流體機械，2012,40(6)：24-27．

[4] 何 浩. 大型往復式壓縮機的配管設計[J]．石油化工設計，2006,23(3)17-19.

(本文文獻格式：劉春雷.往復式壓縮機管系控振方法研究[J].山東化工，2016，45(12)：126-127，132.)

The Research on Control Vibration Methods For Piping Of Reciprocating Compressor

Liu Chunlei

(Luoyang Engineering Company of Limited-Sinopec，Luoyang 471003,China)

The subsidiary piping vibration about reciprocating compressor is one of the common problems for petrochemical enterprises, how to control it effectively, has great significance for safety production of enterprises. This paper describes the causes of vibration about the piping from theory firstly, then considers the factors from piping design、manufacture、construction and other aspects, an gives an effective treatment measures about eliminate vibration.

reciprocating compressor；piping；vibration；piping design

2016-04-26

劉春雷(1981—)，河南洛陽人，工程師，研究生，從事管道設計工作。

TQ051.21

A

1008-021X(2016)12-0126-02