離心壓縮機回流管線振動分析與解決方法

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

CO2壓縮機是化肥廠最重要的核心設備之一，其安全有效運行對于工廠至關重要，管道的劇烈振動，將使得管道結構、管路附件以及管道的連接部位疲勞損壞、松動和破裂。其噪聲的增大，會嚴重影響生產安全和工作人員的身心健康。

1 現場振動情況介紹和測量

某現場CO2壓縮機有4個管口、2段壓縮，壓縮機運行參數見表1，出口管道走向和振動測點布置見圖1，每處測點測量徑向和軸向兩個方向，1點為壓縮機出口。管道有3處分支，一處為送到其他裝置使用，一處為4段壓縮出口回3段壓縮的回流管線，平時處于關閉狀態，最后一段為放空管線，一般在開車時使用，也處于關閉狀態。實際現場見圖2，在現場能明顯感覺整個鋼格柵板都在振動。通過對各測點進行測量，可得振動速度的有效值(見表2)。

表1 壓縮機實際運行數據

圖1 測點布置

圖2 實際現場

表2 各測點振動數據

2 數據分析和原理說明

通過表2可以看出，振動在1點處較小，此后開始逐漸增大，在7、9、11點處達到最大，然后在13、14點處開始變小，即管線在壓縮機出口振動很小，在到達閥組和三通后振動急劇增大，經過分支和閥組后，振動逐漸減小。對典型測點的頻譜進行分析，圖3顯示了1點、4點和7點的振動速度的頻譜。1點是離心壓縮機出口，振動速度為0.7mm/s，振幅很小，此時轉速為9 975r/min，對應頻率為166.25Hz，而最大點處頻率為88.75Hz，并不是轉速的半頻，還有145Hz，也不是轉速頻率成分。4點處振動明顯變大，達到了9.753mm/s，其主要頻率為85Hz，7點格柵板處振動最大，其主要頻率為85Hz。同時還測量了回流管線和放空管線的振動情況，其中，回流管線振動較為強烈，放空管線振動幅度不大，根據現場感受振動情況，其振幅出現了不同程度波動，時大時小，而在測量的這段時間，其頻率變化最大為5Hz，如果是轉速引起的變化，其轉速應在±150r/min，而這是不可能的，同時壓縮機運行平穩，振動一直處于非報警狀態，故排除是由壓縮機氣流激振引發的振動，即這次的振動不是由于離心壓縮機機排氣波動造成的。同時由于無其他激勵源，故認為振動來自于流體流經管道產生的激勵。

國外稱這類振動為流體誘導激發FIV[3](FLOW INDUCED VIBRATION)，常見于離心壓縮機管內流體流徑三通、閥門等位置產生的渦流(見圖4)，激發管道機械或氣體共振，這類振動也常在換熱器管道中發生。這類問題具有很強的不確定性和復雜性，特別是與管道流量息息相關，但由于生產的多變性，導致振動問題經常出現。而管線建成后，這類聲學振動問題難以通過簡單的加固支架來解決。為此，需要對離心壓縮機管道進行專門的聲學和激勵源分析。

3 振源和管道固有頻率分析

氣流流過物體表面的缺口或空腔時，由于腔外剪切流與腔內流動相互作用，常會出現自持振蕩現象，并產生強烈噪聲。該問題涉及到流體力學中許多基本問題，如非定常流、流動不穩定性、聲與流動的相互作用等，是流體力學中令人感興趣的問題之一[4]。

當流體流經管道盲段時，在接口處產生旋渦，產生的旋渦會進入盲段，相當于激勵源激勵盲段的氣體[5]，當氣體頻率與管道這段的氣柱固有頻率或機械固有頻率接近時，旋渦激勵會呈指數倍增加，導致管道振動與噪聲增加。

Blake(1986)，Rockwell 和Naudascher (1978)等通過實驗對其激發頻率進行研究，得到其關系為：

其中，U為流速m/s，L為盲段內徑mm。

對于一段開口一段封閉的管道，其聲學固有頻率計算公式為：

其中，c為流體在管道內傳播的聲速，H為管道長度。

通過計算可知，管道激振頻率fn=16.9Hz，n=1，現場振動頻率基本為85Hz，為其整數倍，處于其倍頻段80%～120%的區間內。需要改變管道的響應結構來根本上解決其振動問題。

分別通過CAESAR Ⅱ軟件和bentley plus軟件計算管道機械和氣柱固有頻率，計算結果見表3、表4。表4計算的為回流管線的氣柱固有頻率，一段是帶流量閉端，另一端為全閉端，模擬流體盲段激勵。從表3、表4可以看出，振動頻率85Hz對于管道的固有頻率已相對較高，固有頻率階次也較高，在高階次是不容易避開激勵頻率的，并且由于計算誤差，會將計算頻率增加20%的誤差，工程上常采用80%～120%區間進行共振避開，據此通過改變管道固有頻率來降低振動的可行性已被否定。管道CAESARⅡ模型見圖5，管道氣柱模型見圖6。

圖3 1、4、7點振動頻譜

圖4 流體激勵原理

圖5 管道CAESAR Ⅱ模型

圖6 管道氣柱模型

表3 管道機械結構固有頻率

表4 管道氣柱固有頻率

由于單獨改變其固有頻率很難完全避開其激發頻率，國外學者Franke[6]通過改變三通結構來改善其流道結構(見圖7)。通過改變三通結構，可以有效降低其振動噪聲，來降低其振動幅度。同時可以在管道內加裝導流裝置(見圖8)。

圖7 不同三通結構噪聲對比

圖8 彎頭和球閥處導流片

4 整改措施

經過仔細分析和現場考察，決定從3個方面進行整改：①根據文獻6的思路，在2個三通進入盲段處增加法蘭，在法蘭處加裝多孔孔板，孔板形式與降噪板類似；②在回流管線上增加孔板，孔板法蘭后開始變徑到DN250，并新增剛性支架(見圖9)；③在多處增加阻尼器，并在第二層平臺上增加斜鋼梁，以增加平臺剛度。

業主采納這一方案，并在大修時進行改造，開車后振動明顯降低，第二層樓板振感明顯減小消失，減振效果明顯。

圖9 管道改造方案

5 結語

針對某廠CO2壓縮機出口管道振動問題，通過現場測量，分析振動原因是由于渦流激發盲段氣柱共振導致，并計算其激振頻率和管道機械和氣柱固有頻率。通過查閱國外文獻，尋找其解決方案，并創新性地在管道上安裝導流裝置，取得良好減振效果。通過對離心壓縮機的各項分析，說明其減振工作應進行科學分析，盲目加固和增加支架并不能有效解決問題，需要從根源找到其原因，選擇最優方案，并且結合多種方式，以達到最佳減振效果。