氨壓機入口管線振動原因及改進措施

劉濤，孫麗影，齊愛靜，陳良超

（1.中油錦州石化分公司機動設備處，遼寧錦州121000；2.北京化工大學，北京100029）

氨壓機入口管線振動原因及改進措施

劉濤1，孫麗影1，齊愛靜1，陳良超2

（1.中油錦州石化分公司機動設備處，遼寧錦州121000；2.北京化工大學，北京100029）

為解決錦州石化公司化工三車間氨壓機入口管線振動的問題，分析管線振動的原因，采取減少管線彎頭、提高焊接質量、增加剛性支承等改進措施。

氨壓機；管線；振動；原因；改進

0 前言

錦州石化公司化工三車間冷凍崗是順丁橡膠生產的輔助裝置，主要功能是為橡膠聚合裝置提供低溫冷凍鹽水，用以取走聚合反應的熱量。其中，氨壓機是核心設備，冷凍崗共有8AS-17機組3臺，8AS-12.5機組1臺。2008～2009年，公司對原來4臺故障率較高的氨壓機進行了更換，重新將出入口管線進行了配制。新設備投入運行后，一直存在1#～3#氨壓機入口管線振動超標問題，生產過程中多次出現法蘭螺栓松動、墊片泄漏的情況，這對操作人員的人身安全構成直接威脅。為消除管線振動，保證生產安全，對氨壓機入口管線振動的原因進行分析，制定了有針對行的改進措施，并在檢修中得以實施，取得了預期效果。

1 氨壓機入口管線振動原因分析

1.1 氨壓機相關參數

冷凍裝置氨壓機共有4臺，其中3臺型號為8AS-17，1臺型號為8AS-12.5，4臺氨壓機并聯安裝。相關參數見表1。

表1 氨壓機相關技術參數

表2 各測點檢測數值mm

1.2 振動測試數據

現場使用DK100便攜式測振儀對3臺氨壓機入口管線振動情況進行測量，測點見圖1。各測點振幅值，見表2。

表2數據為單開1臺壓縮機時的振動數據，如果同時開2臺8AS-17氨壓機，軸向振動值最高可達到0.7 mm。

圖1 氨壓機入口管線軸測示意圖

1.3 管線振動的原因分析

冷凍氨壓機屬于往復式壓縮機，據文獻[1]報道，往復式壓縮機管道振動原因通常有3種。

1.3.1 氣流脈動

往復式壓縮機的工作特點是吸、排氣流呈間歇性和周期性，因此不可避免的要激發進、出口管道內的流體呈脈動狀態，使管內流體參數，如壓力、速度、密度等隨位置及時間作周期性變化,這種現象稱為氣流脈動。氣流脈動對管線具有破壞作用，當氣流沿管道輸送時，遇到彎頭、異徑管、分支管、閥門等元件將產生隨時間變化的激振力，受該激振力作用，管系便產生一定的機械振動響應。壓力脈動越大，振動的頻率越高，管道的振幅及應力也就越大。

1.3.2 共振

由于管道和內部氣體構成的系統具有一定的固有頻率，當往復壓縮機激發的頻率與固有頻率相近或相等時，系統產生對應于該階頻率的共振，包括氣柱共振和管道機械共振。

（1）壓縮機的運行對管路產生周期性的激發，當氣柱對該激發做出響應時，就形成氣柱受迫振動，振動的結果表現為壓力脈動。當激發頻率與氣柱固有頻率相等或相近時，就會激發氣柱產生氣柱共振。

（2）共振的另一種形式是機械共振，由于壓縮機的管道系統根據配管情況、支撐類型、支撐位置及邊界情況的不同，所以有自身的固有頻率。外界任何一種激振力，如壓縮機往復運動時的不平衡慣性力、氣流脈動沖擊力、轉軸對中不良時的機械脈動力等，都能引起管道的機械振動。如果這些激振力的主頻率與管道的固有頻率一致，就會激起很強的機械共振。

1.3.3 機組本身的振動

由于機組動平衡性能差，安裝不對中，基礎設計不當等因素均會引起壓縮機振動，從而使與之連接的管線也發生振動。

1.4 管線振動原因的確定

1.4.1 機組本身因素的判定

通過對冷凍氨壓機機組進行空載運行，在管線的相關測點位置測量，發現振值均在正常范圍內，這說明管線的振動不是由于機組本身的振動引起的。

1.4.2 共振因素的判定

首先把氨壓機入口管線簡化為一端封閉，一端開口的聲學管道，然后通過計算共振管長度，確定管線振動是否存在氣柱共振。

（1）激發頻率和氣柱固有頻率分別按（1）～（3）式計算。

因為氣柱的共振條件為f＝（0.8～1.2）f固，所以，將式（1），（2）帶入（3）中，導出，得到系統管道共振的共振管長度公式（4）。

也就是說，要使系統管線的長度L在公式（4）計算范圍之外，才能避開氣柱共振區。

式中m——壓縮機曲軸一轉內，在管道一個端口處，向管道吸、排氣次數，單作用壓縮機m＝1，雙作用m＝2；

n——壓縮機轉數，r/min，（氨壓機轉數720 r/min）；

c——氣體聲速，m/s

k——絕熱指數，k（氨）＝1.313

R——氣體常數，R（氨）＝49.79 J/kg·K

T——絕對溫度，T＝273+3＝276 K

i——振動階數，（i=1，3，5……）

將各數值代入（4）中得L＝（1.12～1.68）m

通過計算可知，只要系統管道的長度L在1.12～1.68 m之外，就能避開氣柱共振區。通過現場測量，氨壓機入口管線長度均超過1.68 m，都不在一階氣柱共振管長的范圍內，因此，排除了管道系統的振動是由于其長度設計不合理造成的可能性。

（2）再來分析管線是否存在機械共振頻率。因管子、管件和支架組成的管道本身是一個彈性系統，有一定的固有頻率，當管線自身機械振動固有頻率與激發頻率相接近時，就會產生管線機械共振現象。如果氨壓機入口管線的機械固有頻率與激發頻率的2倍、4倍頻重合，就可造成管線的機械共振。降低機械共振的措施，一般是用對管線加固的方法來改變管系的機械固有頻率。

例如，從現場安裝情況可以看出，氨壓機管線支承非常簡單，管線只是鋪設在上面，未進行管線加固，而且支承與地面之間沒有地腳，其剛度、強度均不足（圖2），這樣，氨壓機管線非常容易產生機械共振。

1.4.3 管線走向及支承結構因素的判定

氨壓機入口管線彎頭多（圖3），而且管線彎頭缺少固定支點，彎頭處氣體運動方向的改變，使管線受到氣體沖擊力的作用，彎頭越多，管線受激振力就越大，管線的機械振動也就越大。從現場情況可以看出，氨壓機入口管線結構不合理，90°彎頭數量過多，從沉降罐到3#機入口，彎頭數量達到11個，較多的彎頭使得介質在管道中產生較大的激增力，加上往復式壓縮機的運行本身就是一個周期性的激發，這樣就導致了壓縮機入口管線振動超標（圖3）。

圖2 氨壓機入口線支承圖

2 改進措施

通過分析知道，知道氨壓機入口管線振動主要原因是因為入口管線設計不合理，氣流脈動產生的激振力較大；管線支承剛度不好，無管線加固手段，在一定的激發頻率下管線產生了機械共振等所致（圖4）。為此，在檢修中采取3方面措施加以改進。

2.1 改變管線布置，減少彎頭數量

現場從氨壓機緩沖罐到氨壓機入口管線上彎頭數量達到12個，為此，重新規劃入口線走向，將彎頭數量由原來的11個減少為4個，這樣可以減少氣流對管道的激振力，從而減少管道的振動。改造后的氨壓機管線（圖5）。

2.2 提高焊接質量與管件標準

提高焊接質量，要求施工過程中管線焊縫全部氬電聯焊，100%射線探傷合格，并采用三通代替原來直接在管道上的開口（圖6）。其目的也是進一步降低氣流對管道的激振力。

2.3 增加和加固管線支承

對振動較大的入口管線增加支承，使用H形鋼代替原來的Φ159 mm鋼管（圖7）。同時對管卡部位進行改進和加固（圖8）。在支承基礎增設管墩。采取以上措施是為了改變管線的自振頻率，使之遠離激振頻率，避免機械共振的發生[2-3]。

圖3 氨壓機入口線彎頭數量多

圖4 原有氨壓機入口線

圖5 改造后的入口管線

圖6 用三通代替原有管線開口

圖7 氨壓機入口固定管線支架型式

3 結束語

通過減少管線彎頭數量、提高管件標準、增加管線固定強度與剛度等改進措施，氨壓機入口管線的振動明顯降低，取得了良好的效果。改造前后入口管線振動檢測數值對比情況（表3）。不僅為氨壓機的安全平穩運行奠定了基礎，也為類似故障問題的技術改造提供了經驗。

表3 改造前后振動值對比

圖8 管線防抖支承及管墩

［1］黨錫淇.活塞式壓縮機氣流脈動與管道振動[M].西安交通大學出版社，1984.

［2］胡躍華.管系振動問題的分析及消振處理措施[J].石油化工設計, 2008，（25）.

［3］趙淳生.機械振動學.南京工學院出版社[M].1987.

〔編輯 王永洲〕

TE91

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.11