淺析往復(fù)式壓縮機管系振動的控制

周少成（中國石油西氣東輸管道公司，上?！?00122）

淺析往復(fù)式壓縮機管系振動的控制

周少成
（中國石油西氣東輸管道公司，上海200122）

往復(fù)式壓縮機在管系設(shè)計、安裝及應(yīng)用的過程中存在嚴重的管系振動問題，因此研究如何控制往復(fù)式壓縮機管系的振動變得至關(guān)重要。本文通過對往復(fù)式壓縮機管系振動的原因分析，提出了三種減振措施，以便將管系振動控制在一定閾值范圍內(nèi)，保證往復(fù)式壓縮機管系正常工作。

往復(fù)式壓縮機；管系振動；減震措施

往復(fù)式壓縮機屬于容積型壓縮機，其通過氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運動使壓力升高，但內(nèi)部氣體的進入與排出都是脈動流動特性，這樣會造成進出口管道的脈沖性振動。因此，輸氣管道的振動，是壓縮機安全運行的重大障礙。1996年，新疆吐哈油田丘陵液化石油氣廠從美國引進4臺燃氣往復(fù)式16SGT/W74型天然氣壓縮機，在1996年12月投用后，進出口管道的振動異常嚴重，導(dǎo)致系統(tǒng)多次出現(xiàn)故障。所以，解決往復(fù)式壓縮機管系振動的問題對于生產(chǎn)運行有著重要意義。

1　往復(fù)式壓縮機管系振動的原因分析

解決往復(fù)式壓縮機管系振動問題的第一步，就是要對造成管系振動的原因進行分析。往復(fù)式壓縮機是一種典型的容積式壓縮機，活塞的往復(fù)運動使得其工況具有間歇性、周期性的特點。1.1 平衡不合格或設(shè)計不當(dāng)引起的振動。一般情況下，合格的往復(fù)式壓縮機在出廠前必須滿足一定的設(shè)計條件，使各部件的作用力、慣性力、力矩及慣性矩處在動平衡的狀態(tài)，從而保證其在正常的設(shè)計振動范圍內(nèi)。若設(shè)計不當(dāng)、安裝不符合要求，會使產(chǎn)生的振動傳遞到管道上，這樣將導(dǎo)致管道的局部應(yīng)力過于集中，產(chǎn)生疲勞裂紋，造成管系振動。

1.2 氣流脈動引起的振動。往復(fù)式壓縮機的工作原理是吸氣流和排氣流間歇性、周期性地不斷變化，會使進出口管道內(nèi)的流體呈脈動狀態(tài)，從而使管道內(nèi)的流體參數(shù)隨著時間及位置的變化而產(chǎn)生氣流脈動。高壓管道內(nèi)所輸送的氣流氣壓和氣流流速在往復(fù)式?jīng)_擊載荷的作用下也具有壓力不均勻的特點。這種特點可以用壓力不均勻度來描述，將壓力不均勻度定義為氣體壓力幅值與均值的之比，其表達式為：

δ=（Pmax-Pmin）/P0×100%

式中：Pmax—最大壓力值；Pmin—最小壓力值；P0—平均壓力值。

這種評述指標(biāo)存在其固有的缺陷，因為壓力不均勻度只能反映不同壓力條件下的要求。根據(jù)流體力學(xué)原理，此時的流速會隨著管徑變小而急劇上升，會對管道造成嚴重沖擊。同理，針對內(nèi)徑相同的管道，如果往復(fù)式壓縮機的活塞以更高的頻率工作，當(dāng)該工作頻率作用于氣流，形成激勵，而與管系的固有頻率相近的時候，將會發(fā)生共振致管系振幅增大從而釀成災(zāi)難性的后果。

2　往復(fù)式壓縮機管系振動的減振措施

2.2 增加緩沖器。增設(shè)緩沖器能使緩沖器后面管道內(nèi)的氣流脈動變得緩和，可以降低在排氣或吸氣期間氣體沖擊所造成的損失，從而使緩沖器之后管道內(nèi)氣流平穩(wěn)。其平穩(wěn)的程度取決于氣缸對管道的作用方式、緩沖器容積的大小以及緩沖器的安裝位置。根據(jù)API618標(biāo)準(zhǔn)的第一種設(shè)計方式，最小的進氣緩沖器容積為：

式中：Vs—最小的進氣緩沖器容積，m2；K—平均運行壓力及平均溫度條件下的絕熱指數(shù)；Ts —吸氣絕對溫度，K；PD—公用緩沖器所有氣缸在一轉(zhuǎn)中總體積流量；M —相對分子質(zhì)量。

最小的排氣緩沖器容積Vd為：

式中：R—氣缸的壓力比。

API618標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定：Vs≥V0，并且Vs≥0.028m3。有時現(xiàn)場也可能遇到緩沖器容積符合API標(biāo)準(zhǔn)， 但由于管道原因，壓力不均勻度仍超出API標(biāo)準(zhǔn)。這種情況下， 還要根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)的其它方式，對緩沖器的容積進行校驗。同樣，可以利用傳感器采集緩沖器前后的振動信號，并對其δ值進行比較，可以檢驗其減振效果。

2.2 在管道中合理設(shè)置孔板?？梢栽谕鶑?fù)式壓縮機管道的適當(dāng)部位設(shè)置孔板，這樣可以有效消除振動。其原理是在容積足夠大的容器進口處增加合適尺寸的孔板，這樣孔板將和足夠大的容器共通，使管道的尾端不再具有反射條件，這樣不僅使原管道內(nèi)的駐波轉(zhuǎn)換成行波，而且還降低了管道中的不均勻壓力脈動，從而達到減振的效果。孔板的位置選擇對減振的效果影響很大，孔板必須要安裝在大容器的進出口的法蘭處，如圖1所示。孔板的尺寸也對減振效果有很大的影響，實驗結(jié)果表明，當(dāng)孔板的孔徑比為：d/D=0.43-0.5，厚度b=3-5mm時，其效果最佳。此時要求孔板的內(nèi)徑邊緣處要有銳利的棱角，不能倒角，否則效果會降低。

2.3 改變系統(tǒng)的共振頻率。管道系統(tǒng)的振動，是由于其作用在系統(tǒng)上的激振力引起的。而在往復(fù)式壓縮機工作時，絕大多數(shù)振動都是由于管道內(nèi)氣流壓力沖擊的脈動引起的。在往復(fù)式壓縮機管道系統(tǒng)中，當(dāng)激振力的振動頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率相近時，則會發(fā)生共振。為了避免這種災(zāi)難性后果的發(fā)生，我們需要使往復(fù)式壓縮機的激振頻率與系統(tǒng)固有頻率之間有一定的頻帶寬度。而系統(tǒng)指定的往復(fù)式壓縮機的激振頻率是一定的，那么就只有提高管道系統(tǒng)的固有頻率。根據(jù)機械振動理論可知，系統(tǒng)固有頻率的公式可以用等效剛度和等效質(zhì)量進行描述：

式中：Ke—管道系統(tǒng)的等效剛度；Me—管道系統(tǒng)的等效質(zhì)量。

對管道系統(tǒng)的加固相當(dāng)于是質(zhì)量彈簧系統(tǒng)中彈簧的并聯(lián)，由上述公式可知，采用合適的方式對管道系統(tǒng)進行加固，提高整個管道系統(tǒng)的剛度，可以使得管道系統(tǒng)具有很高的固有頻率，從而有效避免共振。相關(guān)研究表明，鋼架用于支承管系和部分設(shè)備，對鋼架的技術(shù)指標(biāo)有兩個要求：①為管道和設(shè)備的支承點提供合適的剛度；②鋼架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最低固有頻率應(yīng)大于1.2×激發(fā)主頻。在相應(yīng)的三維造型軟件中進行實體建模，通過ANSYS或者ABAQUS等商用有限元軟件進行模態(tài)分析計算，得出系統(tǒng)的固有頻率和振型，進而指導(dǎo)管道系統(tǒng)的改進，以消除振動。

結(jié)語

通過對往復(fù)式壓縮機管系振動的原因分析，提出了三種有效的減振措施，以控制管道系統(tǒng)的振動閾值，保證往復(fù)式壓縮機管系正常工作。

圖1　孔板的位置設(shè)置圖

[1]高尚業(yè).往復(fù)式壓縮機管系振動的控制[J].煉油設(shè)計，2000，30（01）：32-35.

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