往復式壓縮機管道的減振設計

續雯雯

（長嶺煉化岳陽工程設計有限公司，湖南岳陽 414000）

往復式壓縮機是加氫、催化裂化、重整等煉化裝置中的重要設備，其管道振動問題一直是困擾設計人員和車間工作人員的難題。持續的振動會使管道發生疲勞損傷，導致連接部位破裂、介質泄漏，對裝置的安全及穩定運行造成嚴重威脅。因此必須采取措施將往復式壓縮機的振動控制在合理的范圍內。

1 振動產生的原因

壓力脈動是往復式壓縮機進出口管道發生振動的首要原因，也是振動無法根除的內因，這是由往復機間歇性、周期性的工作特點決定的。該工作特點致使管內流體呈現脈動狀態，脈動的氣流沿管道傳輸，遇到彎頭、異徑管、控制閥等元件后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[1]。

另外一個引發管道劇烈振動的重要原因是共振，包括氣柱共振與結構共振。管道系統內所容納的氣體稱為氣柱，氣柱本身具有的振動頻率稱為氣柱固有頻率[2]；由管道及其組件構成的系統具有的振動頻率稱為結構固有頻率。當氣柱固有頻率處于0.8fe~1.2fe區域時（fe為機組激振頻率），引發氣柱共振；當結構固有頻率處于0.8fe~1.2fe區域時，引發結構共振[3]。

減輕往復式壓縮機的管道振動可以從消減壓力脈動、避免共振產生兩個方面著手。

2 壓力脈動的消減

2.1 壓力脈動分析實例

一般用壓力不均勻度來表征壓力脈動的大小[4]。壓力不均勻度越大，管道振動越劇烈。氣流脈動的消減主要是對壓力不均勻度進行調整[5]，將其控制在規范允許的范圍內。關于壓力不均勻度的許用值，目前國內外比較通用的標準是美國石油學會制定的API-618。配管完成后，需將進出口管線的走向包括支架設置提交給制造廠或其他專業機構進行脈動分析，確保將壓力不均勻度控制在API-618規定的許用值范圍內。

圖1是某石化公司60萬t/a煤焦油深加工聯合裝置液相加氫新氫壓縮機J2D20J（4）2.4MPa正常工況運行時一級進氣至一級氣缸管路（A機）的氣流脈動分析模型。在脈動模擬時，該管系被劃分為24個單元，29個節點，各個節點位置的壓力脈動幅值結果如圖2所示。其中最大壓力幅值為5.187%，發生在一級進氣緩沖器進出口（節點2、3）。

圖1 一級進氣至一級氣缸管路（A機）幾何模型

圖2 各節點壓力脈動幅值

根據API-618，除非另有規定準則（如壓縮機效率的損失），壓縮機氣缸法蘭處未過濾的峰-峰脈動值應限制在7%或由式（1）計算值中較小者范圍內。

式中，Pef為在壓縮機氣缸法蘭處最大許用的未過濾峰-峰脈動值，用平均絕對管線的壓力的百分比來表示；

R為該級壓縮機壓力比。

對于該管路系統，壓縮機氣缸法蘭處的脈動峰—峰值不應超過min（7%，3R%）=6.65%，結果在允許范圍內。

2.2 壓力脈動的消減措施

2.2.1 選取合理的氣缸作用方式

氣流的脈動情況跟氣缸的作用方式直接相關。要從根本上減輕進出口管道的氣流脈動，首先應選取合理的氣缸作用方式[6]。

2.2.2 設置緩沖罐

設置緩沖罐是制造廠采取的最行之有效的減振措施。緩沖罐容積應盡量大[7]，一般應符合API-618的相關規定。緩沖罐位置盡量靠近氣缸，最好與氣缸法蘭直接相連。

2.2.3 加大管徑

加大管徑可以降低管端接收到的速度激發[2]，從而降低壓力不均勻度，但是管徑應滿足工藝條件。

2.2.4 利用孔板消振

將適當尺寸的孔板安裝于容器入口處，可以把管段內的壓力脈動變成不具備反射條件的行波，同時阻止一定頻率的脈動在孔板以后的管道中通行[4]，從而消減氣流脈動。但是使用孔板會加大壓降，因此應用時應綜合考慮，慎重選擇。

3 共振的控制

3.1 共振分析

某些情況下，盡管將壓力脈動控制在了允許的范圍內，但是由于管系結構接近共振狀態，仍會引起較大的振動。為了避免管系發生氣柱共振和機械共振，必須對壓縮機出入口管道進行振動分析。通過建立管網結構模型，借助應力分析軟件CAESARII，進行管道應力與結構固有頻率的預測，評價由熱梯度、熱瞬變、管道安裝重量、靜壓力和應變受約束產生的作用力以及應力的柔性分析結果是否符合規范，結構固有頻率與壓縮機激振頻率的分離裕度是否符合API-618的分離裕度準則，按照該準則，結構固有頻率要離開激振頻率至少20%的范圍。通常是通過設置支架，必要時調整管道走向以得到符合規范的管道系統。

根據脈動分析實例中液相加氫新氫壓縮機J2D20J（4）管系（含支架）的動態分析結果，其最低結構固有頻率為15.258Hz。J2D20J（4）壓縮機額定轉速為375r/min，氣缸都為雙作用，根據式（2）可以得出壓縮機的激振頻率為12.5Hz。全部管線的結構固有頻率都離開系統基頻20%以上，符合API-618的要求。

式中：f為激發頻率，Hz；

N為壓縮機軸轉速，r/min；

z為壓縮機每轉的激發次數，單作用為1，雙作用為2。

3.2 共振的控制措施

壓力脈動主要由壓縮機廠家控制，因此在進行壓縮機管道設計時主要是避免共振的發生。壓縮機的激發頻率是固定的，要避免共振，只能調整管系的固有頻率。

3.2.1 調整氣柱固有頻率

氣柱固有頻率的影響因素包括氣體的組成、緩沖器的尺寸和安裝位置、管徑、管系分支的設計、直管長度等，可以通過改變這些條件實現對氣柱固有頻率的調整[8]。由于有些因素受工藝條件限制不宜調整，配管時通常會通過改變管道走向對氣柱固有頻率進行調整。

3.2.2 調整結構固有頻率

管系剛度是結構固有頻率的重要影響因素，加大管系剛度可以提高結構固有頻率[9]，使其遠離激振頻率的共振區。管系提交振動分析后，優先會通過調整支架的數量、型式來調整管系的固有頻率。

在進行在壓縮機的管道設計時，注意以下幾點，可以極大提高振動分析的通過率：①盡量減少重要區段的彎頭、三通、大小頭等容易產生激振力的元件，在有激振力產生的部位以及閥門等有集中荷載的部位最好設置支架；②進出口管道的支架最好生根于深埋于地下的管墩或結構立柱，盡量提高支架的剛度，且管墩、立柱應設置獨立基礎，避免與壓縮機、廠房等的基礎碰撞；③支架采用防震管卡，管卡采用扁鋼，管卡和管道之間填充橡膠墊或聚四氟乙烯板，滿足管道的熱脹補償要求；④管道支架宜采取不等間距布置，打亂共振振幅，有效避免管系共振。

4 結束語

往復式壓縮機的工作原理決定其振動問題無法消除，但是只要明確振動產生的原因，從減輕壓力脈動、避免共振的角度出發，合理地進行管道設計，便可將管道振動控制在允許的范圍內。