往復(fù)壓縮機(jī)管道振動和防治

王鐵軍

（廣東石化公司，廣東揭陽 515200）

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)是煉油與化工生產(chǎn)中的重要設(shè)備。往復(fù)壓縮機(jī)管道振動是管道設(shè)計(jì)和機(jī)器運(yùn)行中經(jīng)常遇到的問題，對安全生產(chǎn)是一個(gè)很大的威脅，它能夠引起：管道疲勞損傷、保溫破損、附屬部件的損壞及誤操作、振動噪聲對人的影響等。強(qiáng)烈的管道振動會造成管道泄漏，甚至引起爆炸。因此，研究并解決管道振動問題是十分必要的。

2 管道振動原因

2.1 氣流壓力脈動

這是往復(fù)壓縮機(jī)特性決定的。往復(fù)壓縮機(jī)吸排氣是間斷、交替進(jìn)行，管道內(nèi)氣流壓力、流量也是波動的，這是致使往復(fù)機(jī)產(chǎn)生管線振動根本原因。

2.2 氣柱共振

往復(fù)壓縮機(jī)管系內(nèi)氣體可以看做氣柱。氣柱在壓縮、膨脹時(shí)會產(chǎn)生激振力，從而引發(fā)管系振動并向遠(yuǎn)方傳播。氣柱本身有自己的一系列固有頻率，當(dāng)壓縮機(jī)振動頻率與氣柱共振頻率相近時(shí)產(chǎn)生共振。發(fā)生共振一般在

fx=（0.8～1.2）fn范圍內(nèi)

式中 fx——?dú)饬髦髦C波頻率

fn——?dú)庵逃蓄l率

2.3 管道機(jī)械共振

壓縮機(jī)管道的振動除氣柱共振外，還有因機(jī)械原因，如不平衡慣性力、安裝間隙不合格造成振動，一級氣體在變換方向、流速等情況下引起振動。

3 管道振動治理

在設(shè)計(jì)管路減震裝置時(shí)，需要考慮壓縮機(jī)各種工況和替代介質(zhì)，如氫氣工況、氮?dú)夤r，并按照長期運(yùn)行介質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。管路脈動抑制的設(shè)計(jì)方法有：經(jīng)驗(yàn)確定脈動抑制裝置尺寸、聲學(xué)模擬和管路約束力分析、聲學(xué)模擬和管路約束力分析加力學(xué)分析。聲學(xué)模擬和約束力分析及力學(xué)分析一般需要專用軟件完成。煉化企業(yè)設(shè)備人員對往復(fù)式壓縮機(jī)管線振動一般采用經(jīng)驗(yàn)確定脈動抑制裝置尺寸，按照這一方法需滿足以下原則：

（1）壓縮機(jī)氣缸法蘭最大許用壓力脈動

壓縮機(jī)氣缸法蘭脈動值用平均絕對管線壓力的百分比表示，一般取7%或下式計(jì)算中較小者范圍內(nèi)。

pef=3R%

式中 pef——?dú)飧追ㄌm處最大許用未過過濾峰-峰脈動值，用平均絕對管線的壓力百分比表示

R——級壓力比

（2）壓力脈動抑制裝置管線及其后管路的最大許用脈動值限定，應(yīng)在如下公式以內(nèi)

p1=4.1/（pL）1/3%

式中 p1——最大許用峰-峰脈動值，用平均管線絕對壓力百分比表示

pL——管線平均絕對壓力，bar

（3）最大聲學(xué)許用激振力

圖1 液壓阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

SFK=Keff×V

式中 SFK——相對于靜態(tài)結(jié)構(gòu)剛度的非共振峰-峰激振力指導(dǎo)值，N

Keff——激振力作用處沿管路方向或脈動抑制裝置軸向的有效靜態(tài)剛度，M/mm

V——設(shè)計(jì)振動峰-峰指導(dǎo)值，mm

（4）管路系統(tǒng)最大許用非共振聲學(xué)激振力

SFpmax=45NPS

式中 SFpmax——支撐強(qiáng)度最大管路非共振激振力峰-峰指導(dǎo)值，N

NPS——管路的公稱尺寸，mm基于管路脈動和衰減相互影響分析來設(shè)計(jì)管路，使管路振動符合API618要求，避免管路、設(shè)備損壞。管道振動治理一般從以下方面著手。

（1）消減管道氣體壓力脈動，主要消減氣流壓力不均，降低脈沖

具體措施主要有以下幾種：

采用合理的吸排氣順序、裝設(shè)緩沖器、阻氣管、聲學(xué)濾波器、節(jié)流系統(tǒng)（孔板）、配置合適的集氣管、避免管道氣流方向和流速的突變等方案。

(2)管道機(jī)械共振的防治措施

（a）改變支撐條件

改變管系固有頻率，使其遠(yuǎn)離激振頻率，如增加支撐點(diǎn)、個(gè)別部位加固或在管路上增加負(fù)重等辦法。支撐剛度大小是影響管道固有頻率的重要因素，支撐剛度越高，管系的固有頻率植越高，所以支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)做成剛度大而質(zhì)量小，管道和支撐間力求應(yīng)用剛性連接。

（b）應(yīng)用動力減振器減振

在管道上增設(shè)動力減振器，吸收管道振動能量，使振動器振動而管系不振。

（3）阻尼器減振（圖1）

管道系統(tǒng)可能由于內(nèi)部原因，如流體動力的激振，或外部原因，如與管道連接的設(shè)備的激振，而激發(fā)振動。阻尼器是一種粘滯管道裝置，主要作用就是吸收引起振動的能量，把各種振動產(chǎn)生的能量吸收入阻尼器，來抑制振動，避免管道損壞。一般應(yīng)用連續(xù)生產(chǎn)裝置，管道加固等措施不能將振幅降至安全值，在不影響生產(chǎn)的情況下使用的手段。使用阻尼器能使機(jī)組管道振動大幅度下降，保證了裝置安全運(yùn)行。

4 設(shè)計(jì)院、往復(fù)機(jī)制造廠家對往復(fù)機(jī)管道的設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)出入口管道的設(shè)計(jì)，主要是石化設(shè)計(jì)院與壓縮機(jī)制造廠合作完成的。大多是由設(shè)計(jì)院的管道設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)好的管道圖轉(zhuǎn)給壓縮機(jī)的制造廠家，壓縮機(jī)的制造廠家再進(jìn)行管道系統(tǒng)脈動和振動分析，廠家把意見轉(zhuǎn)給設(shè)計(jì)院管道設(shè)計(jì)師，最終由設(shè)計(jì)院的管道設(shè)計(jì)師確定管道系統(tǒng)圖紙（包括管道尺寸、管道布置、支吊架等）。也有的設(shè)計(jì)院直接定好管道出入口閥門位置，內(nèi)部整個(gè)管道系統(tǒng)都由壓縮機(jī)制造廠家確定，壓縮機(jī)級間管道（包括緩沖罐、分液罐、孔板、冷卻器等）的設(shè)計(jì)都是由壓縮機(jī)制造廠家自己設(shè)計(jì)確定。所以壓縮機(jī)制造廠家在壓縮機(jī)管路設(shè)計(jì)方面都起到關(guān)鍵作用。在選購設(shè)備時(shí)一定要考察壓縮機(jī)制造廠管路有限元分析能力。

各壓縮機(jī)廠家在確定壓縮機(jī)管路方面具體情況如下：

GE公司和德萊賽蘭公司，在管道系統(tǒng)脈動和振動分析與控制上都具有一定的能力和經(jīng)驗(yàn)。他們都有自己開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序，專門研究處理管道的聲學(xué)脈動和機(jī)械振動問題，能夠?qū)飧?緩沖罐組件進(jìn)行有限元分析，來為“氣缸－管系分析”提供輸入?yún)?shù)。都有自己的振動分析、管系設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，能夠?qū)φ麄€(gè)機(jī)組，包括初級增壓壓縮機(jī)、超高壓壓縮機(jī)、反應(yīng)器、容器和全部內(nèi)部連接管道進(jìn)行分析。從聲學(xué)和振動的觀點(diǎn)，與其他部門的緊密合作，一起設(shè)計(jì)出壓縮機(jī)管系圖。

沈鼓采用引進(jìn)德國的DIGMO氣流脈動聲學(xué)分析軟件對管線進(jìn)行脈動計(jì)算，使用CAESARⅡ管道應(yīng)力分析軟件對工藝管線進(jìn)行綜合應(yīng)力分析。在靜應(yīng)力分析基礎(chǔ)之上，選用模態(tài)（Modal）和諧波分析（Harmonic）來判斷管道機(jī)械部分的共振及動態(tài)響應(yīng)下的振幅和疲勞狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行管系設(shè)計(jì)。

無錫壓縮機(jī)股份公司自己不做該項(xiàng)工作，委托上海科元管道工程技術(shù)發(fā)展公司管道振動分析計(jì)算和管系設(shè)計(jì)工作。

從以上各廠家的情況看，各個(gè)廠家都很重視壓縮機(jī)管路的設(shè)計(jì)工作，出廠時(shí)管路設(shè)計(jì)也都進(jìn)行了防振考慮。但也有機(jī)組、管線已經(jīng)處于安裝階段，管路分析報(bào)告還未做完的情況，所以在采購時(shí)應(yīng)提前加以約束。

5 對各大煉廠避免往復(fù)機(jī)振動建議

各煉化公司設(shè)備人員要加強(qiáng)學(xué)習(xí)，了解往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動原理及解決方案。在設(shè)計(jì)管理階段，與設(shè)計(jì)院管道設(shè)計(jì)師一起研究、審核壓縮機(jī)管道圖紙，首先避免出現(xiàn)避免管道中氣流方向和流速的突變，檢查管道支撐條件能否達(dá)到要求，集氣管尺寸（如果有）是否合適，是否采用合理的吸排氣順序等，其次檢查緩沖罐、聲學(xué)濾波器（如果有）、孔板的計(jì)算過程是否正確，認(rèn)真檢查該廠家通過管線脈動、振動分析軟件的分析結(jié)論是否符合要求，盡全力避免振動發(fā)生。如果同時(shí)購買兩個(gè)以上廠家的產(chǎn)品，在條件允許的情況下，可以用通過各自軟件系統(tǒng)互相驗(yàn)證其管系的科學(xué)性。最后進(jìn)行綜合研究、分析管線振動的可能性，避免振動發(fā)生。

一旦生產(chǎn)出現(xiàn)管線振動問題，要立即與設(shè)計(jì)院、廠家一起認(rèn)真分析，查找問題出現(xiàn)原因：工藝原因、機(jī)組原因、管系原因，針對故障原因，采取相應(yīng)解決方案。