【壓縮機網(wǎng)】摘要：往復(fù)壓縮機的管道防振設(shè)計是管道設(shè)計中的重點和難點，其工作原理決定了氣流脈動不可避免，減振不能消除振動，而是把振動幅度盡可能降低。通過分析計算找到振動的原因，采取適當?shù)姆椒ㄟM行減振，使壓縮機在理想的工況條件下運行。

　　文/張健

　　往復(fù)壓縮機是石油化工企業(yè)中的核心設(shè)備，相對于離心設(shè)備，其運動部件較多，如支撐環(huán)、氣閥等很多部件都是易損件，故障率較高。同時由于壓縮介質(zhì)通常是高溫、高壓、易燃、易爆氣體，一旦壓縮機出現(xiàn)故障，處理不當可能會發(fā)生著火、爆炸等機毀人亡的惡性事故。往復(fù)壓縮機排氣管線振動問題同樣是困擾油氣儲運、石油化工企業(yè)生產(chǎn)過程的一大安全問題，現(xiàn)階段通過狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的機組振動、溫度信號還很難有效地對排氣管線振動問題進行監(jiān)測和診斷。長期的超標振動會使排氣管線與其部件出現(xiàn)裂紋，由此導(dǎo)致壓縮機介質(zhì)的泄漏，影響到壓縮機的安全運轉(zhuǎn)。排氣管道的振動還可能引起壓縮機廠房振動，有時會產(chǎn)生高達120dB的噪聲，對環(huán)境造成巨大危害。劇烈的管道振動會引起管道和相連的設(shè)備產(chǎn)生疲勞裂紋，管道本身開裂、緊固元件斷裂、容器爆炸，也會造成機組本身損壞，破壞力極大。壓縮機管道劇烈振動還會減少壓縮機的排氣量，降低容積效率，功率損耗增大，導(dǎo)致控制儀表以及壓縮機氣閥等部件使用壽命減少，對裝置的安全生產(chǎn)，經(jīng)濟效益構(gòu)成嚴重的威脅。

　　同時由于管線的振動常常引起流程中其他裝置的振動，如儲氣罐，給其他設(shè)備的安全運行埋下隱患。往復(fù)壓縮機排氣管線的故障，主要表現(xiàn)為振動值異常。在生產(chǎn)實際中，往復(fù)壓縮機管線的振動造成了許多設(shè)備嚴重損壞，停產(chǎn)等嚴重事故。所以研究出一種能解決往復(fù)壓縮機排出管線故障診斷與減振的方法，對生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

　　一、往復(fù)壓縮機管道振動的原因

　　由往復(fù)壓縮機的工作方式可知，其管線的振動形式是受迫振動。根據(jù)激振力的不同情況，可以把管線的振動原因分為三類。

　　1.由機組本身振動引起的管線振動。

　　2.由氣流脈動所引起的管線振動。

　　3.當往復(fù)壓縮機激勵頻率與氣柱固有頻率或管線機械固有頻率重合或接近時，所引起的共振現(xiàn)象導(dǎo)致壓縮機管線振動。

　　二、往復(fù)壓縮機管道共振的機理及判定方法

　　1.機組本體振動導(dǎo)致管線振動的機理

　　往復(fù)壓縮機本體的振動有時會引起管線的劇烈振動。往復(fù)壓縮機具有交替吸氣排氣的特點，從運動機理上講，這是為了平衡機組的往復(fù)慣性力和氣體力，其曲柄連桿的運動方式導(dǎo)致的。電機帶動曲柄旋轉(zhuǎn)360度，由于曲柄與連桿部分重量分布不平衡會產(chǎn)生往復(fù)及旋轉(zhuǎn)慣性力。曲柄通過連桿十字頭機構(gòu)驅(qū)動活塞做往復(fù)運動，也會產(chǎn)生很大的慣性力，這些慣性力如果沒有得到平衡就可能會引起排氣管線產(chǎn)生劇烈振動。往復(fù)壓縮機機組的安裝精度不夠、動平衡不良、管道應(yīng)力過大、基礎(chǔ)不牢固等原因也可能引起機組和管道的劇烈振動。特別是往復(fù)壓縮機的支撐和基礎(chǔ)底座，如果不滿足標準就起不到吸振和支撐的作用，會加劇管道的振動。

　　2.機組本體振動導(dǎo)致管線振動的判定方法

　　為了判定往復(fù)壓縮機機組問題導(dǎo)致的排氣管振動，需要對壓縮機本體和振動的情況進行分析。如果在管線振動過大的同時出現(xiàn)機組本體和壓縮機基座振動超過相關(guān)標準中規(guī)定的可接受值，并且在機組空載或低負荷情況下管線振動依舊超過安全標準，那么可以認為管線振動是由機組振動所引起的。

　　3.氣栓壓力脈動導(dǎo)致管線振動的機理

　　往復(fù)壓縮機的運行方式是吸氣、排氣過程呈周期性和間歇性變化，該方式使管線中的氣流產(chǎn)生脈動，導(dǎo)致管道內(nèi)介質(zhì)的氣動熱力特性隨著時間做周期性和間歇性變化，這些氣動熱力包括壓力、密度、速度等。當流體穩(wěn)定流動時，排氣管道不振動，當這種變化的氣流沿管道輸送遇到一些變化的“路況”時，如彎頭、盲板、變徑管、控制閥等，使管線內(nèi)部局部壓力變化，就會表現(xiàn)出對管道的激振，使管道產(chǎn)生受迫振動。

　　4.氣柱壓力脈動導(dǎo)致管線振動的判定方法

　　對于一臺管線振動劇烈的往復(fù)壓縮機，首要任務(wù)就是計算排氣管線的壓力不均勻度，利用動態(tài)壓力表或者直接從分布式控制系統(tǒng)中查詢壓力參數(shù)，得到壓縮機排氣壓力最大壓力值和最小壓力值。通過計算壓力脈動的大小，根據(jù)壓縮機自身不同的情況，與相應(yīng)標準進行對比，即可判斷壓力脈動是否在正常的范圍之內(nèi)。

　　5.由共振引起的管線振動機理與判斷方法

　　當往復(fù)壓縮機排氣管道發(fā)生共振的機理時，管線內(nèi)介質(zhì)會形成氣柱系統(tǒng)與往復(fù)壓縮機管道形成的機械系統(tǒng)，因此，往復(fù)壓縮機會產(chǎn)生激勵頻率、氣柱系統(tǒng)固有頻率以及機械固有頻率。當往復(fù)壓縮機的激勵頻率和兩個固有頻率之一接近時，會導(dǎo)致嚴重的共振現(xiàn)象。當三者重合或接近時，有時甚至會發(fā)生多種共振耦合的情況。

　　因此，管道系統(tǒng)的共振分為機械系統(tǒng)共振和氣柱系統(tǒng)共振。

　　氣柱共振是指當往復(fù)壓縮機的激勵與氣柱本身的固有頻率接近或重合時，管線氣柱系統(tǒng)發(fā)生共振的現(xiàn)象。根據(jù)管線的具體形式和部件得到氣柱固有頻率，將壓縮機對管道的激勵與固有頻率進行對比，如果激勵頻率落入氣柱固有頻率的共振區(qū)間，即可以判定管線氣柱發(fā)生共振。當氣柱在某頻率的激勵下發(fā)生共振時，氣柱的壓力達到最大值。

　　當壓縮機對管道激勵頻率落入管道結(jié)構(gòu)某一階固有頻率的共振區(qū)間時，管道可能會共振。管道系統(tǒng)如果沒有阻尼，發(fā)生共振時，管道的振幅值將接近無窮大，雖然實際情況下存在約束和摩擦，振動會得到一定的控制，但振幅還會遠遠超過運行許可標準。當往復(fù)壓縮機的激勵頻率落在管道的共振區(qū)間內(nèi)，通?？梢哉J為管線發(fā)生了機械共振。根據(jù)機組轉(zhuǎn)速和機組作用方式得到往復(fù)壓縮機激勵頻率并且通過模擬分析方法得到往復(fù)壓縮機管線的各階固有頻率后，就可以進行比較，根據(jù)兩者是否相近或重合來判定管線是否發(fā)生了機械共振。

　　三、往復(fù)壓縮機管道減振技術(shù)

　　1.針對機組振動引起管線振動的減振方法

　　針對往復(fù)壓縮機機組本身引起的管線振動，其解決方法的根本在于提高設(shè)備的支撐剛度和阻尼，尤其是往復(fù)壓縮機基礎(chǔ)底座的支撐剛度。如果是因為設(shè)備支撐固定不良或者剛度過低，首先應(yīng)考慮的是基礎(chǔ)本身出現(xiàn)問題還是機械連接松動問題，若壓縮機基礎(chǔ)澆筑不牢，需要對基礎(chǔ)進行重新澆筑。

　　支撐松動也會使管道在機組的帶動下振動超過安全標準，所以在布置管線的支撐時，應(yīng)該保證沿地面鋪設(shè)支撐，地面之下設(shè)置合理的混凝土基礎(chǔ)，增加支撐的剛度。壓縮機管線的支撐應(yīng)該采用固定支撐或防振管卡，盡量避免采用懸掛結(jié)構(gòu)或者簡單的支托；防振管卡布置時應(yīng)該盡量避免幾何上與管道同心、同型，并且可以在管道的加固位置和支撐位置加粘彈性材料的吸振襯墊。

　　2.針對壓力脈動引起管線振動的減振方法

　?。?）選擇合適的往復(fù)壓縮機類型。

　　不同類型的壓縮機對管線的激勵不同，選擇合適的壓縮機類型可以從根本上減小壓力振動。

　?。?）在合適位置法蘭處加設(shè)孔板。

　　在合適的位置上增加孔板，可以大幅降低氣流脈動的不均勻度，該方法比較容易實施?？装迨且粋€阻力元件，可以把管道中的壓力駐波轉(zhuǎn)換成只有單向行進的行波，氣流壓力脈動下降，管線振幅下降?？装逋ǔ０惭b在排氣管線緩沖罐的進出口法蘭處，由于往復(fù)壓縮機管線振動主要體現(xiàn)在低頻，所以在緩沖罐進出口位置加孔板是對氣流脈動最有效的抑制措施。

　?。?）增加緩沖罐。

　　可以利用壓縮機出口緩沖罐的容積減小壓力不均勻度，但不同型式的往復(fù)壓縮機對緩沖罐的體積大小有明確的要求，且緩沖罐的安裝位置離氣缸進出口越近越好。最好緊挨壓縮機氣缸的進出口處分別設(shè)置一個吸氣罐和排氣緩沖罐，這樣能最大限度地減小氣流脈動。

　　（4）增大彎頭角度并在彎頭處加固支撐。

　　按照氣流脈動的理論，彎頭的角度是往復(fù)壓縮機管道受到氣流脈動的激勵力大小的重要因素之一，因此增大彎頭角度，可以減少壓力脈動不均勻度對管道的激振力。由于現(xiàn)場條件有限，彎頭的角度不能過大。在彎頭附件加固支撐，使支撐的剛度變大，保證壓力脈動不會引起較大的管線振動。

　　（5）數(shù)臺往復(fù)壓縮機管線并聯(lián)排氣，使用集管器減小氣流脈動。

　　多臺壓縮機進行并聯(lián)壓縮，如果將壓縮后的介質(zhì)通過排氣管線輸入到總管，由多個壓縮機所產(chǎn)生的氣流脈動匯合之后就會進行疊加，氣流脈動的疊加有不確定性，疊加后氣流脈動可能會增大也可能會減小，疊加之后的結(jié)果取決于各個壓縮機之間的曲軸轉(zhuǎn)角差。所以為了減小由于多臺壓縮機排氣匯合引起的振動疊加，需要在各個排氣匯合到總管之前設(shè)法減小氣流脈動?，F(xiàn)在工程上通用的方法是在總管匯合之前加入集管器，其工作原理與緩沖罐類似。

　　（6）采用阻尼器減小管線振動。

　　對于氣流脈動導(dǎo)致的管線振動，可以通過增加阻尼器來減小。阻尼器就相當于一個吸振器，把管線振動的機械能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，從而使管線振動減小。

　　3.針對共振原因的管線減振方法

　　首先，避免氣柱系統(tǒng)共振。氣柱系統(tǒng)的固有頻率取決于介質(zhì)的傳播速度和氣柱的長度，當往復(fù)壓縮機對管線的激勵頻率處于氣柱固有頻率的共振區(qū)間時，壓縮機管道內(nèi)的氣柱系統(tǒng)就會發(fā)生共振，由于壓縮機的壓縮介質(zhì)無法改變，介質(zhì)的聲速就無法改變。想改變氣柱系統(tǒng)的固有頻率，只能通過改變氣柱系統(tǒng)長度，氣柱系統(tǒng)的長度就是壓縮機管線的長度。所以往復(fù)壓縮機管線發(fā)生氣柱共振，需要重新配管布置。

　　其次，避免管道系統(tǒng)發(fā)生機械共振。當往復(fù)壓縮機的激勵頻率落入其管線固有頻率共振區(qū)間時會引起管線系統(tǒng)機械共振。避免管線系統(tǒng)發(fā)生機械共振的關(guān)鍵就在于使激勵頻率和管線固有頻率錯開。管線系統(tǒng)的機械固有頻率要比氣柱系統(tǒng)的固有頻率復(fù)雜很多，其決定因素有系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度、阻尼等，想要改變系統(tǒng)的固有頻率就要從這幾方面入手，目前應(yīng)用最廣的就是通過改變管線的支撐位置和數(shù)目來改變管道的固有頻率。

　　管線支撐的位置、數(shù)目、剛度、質(zhì)量等因素都影響著管線的固有頻率。增大系統(tǒng)的剛度，減小系統(tǒng)的質(zhì)量可以增大管道的固有頻率，反之則減小管道的固有頻率。安裝管道的支撐時，注意支撐的相互距離，保證大體上相同，但相鄰的兩段，其跨距絕對不能相等，這時每兩個支撐之間的管段就可以視為一條管線，具有相應(yīng)的固有頻率，保持每段的跨距不一致，可使每段的固有頻率錯開，這樣就可以避免往復(fù)壓縮機的激勵所引起的整個管線的共振。

　　往復(fù)壓縮機的管道防振設(shè)計是管道設(shè)計中的重點和難點，其工作原理決定了氣流脈動不可避免，減振不能消除振動，而是把振動幅度盡可能降低。氣流脈動是引起管道振動的內(nèi)因，管道結(jié)構(gòu)變化是引起振動的條件，通過分析計算找到振動的原因，采取適當?shù)姆椒ㄟM行減振，使壓縮機在理想的工況條件下運行。

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