往復(fù)式壓縮機(jī)管線振動消減措施探討

李永忠

（蘭州石化公司 蘭州）

蘭州石化公司助劑廠年產(chǎn)2萬噸順酐裝置，使用的4臺氫壓縮機(jī)是裝置的關(guān)鍵設(shè)備，均為往復(fù)式壓縮機(jī)，工作特點(diǎn)是氣缸進(jìn)行周期性往復(fù)運(yùn)動，吸排氣呈間歇和周期性，管道內(nèi)氣體造成出口管線劇烈振動。管線長期振動會造成材料的機(jī)械疲勞破壞，從而引起重大事故。

一、設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)

壓縮機(jī)是無錫壓縮機(jī)股份有限公司生產(chǎn)，2新氫壓縮機(jī)型號DW-1.7/（9.5-33）-X，轉(zhuǎn)速490 r/min，壓縮介質(zhì)為氫氣，流量1.7 m3/min，進(jìn)口壓力 0.95～1.3 MPa，出口壓力 3.3 MPa，功率75 kW。2臺循環(huán)氫壓縮機(jī)，型號PW-3.8/（27.2-33）-X，轉(zhuǎn)速420 r/min，壓縮介質(zhì)為氫氣及烴類，流量3.8 m3/min，進(jìn)口壓力2.72 MPa，出口壓力3.3 MPa，功率75 kW。

二、設(shè)備管線運(yùn)行振動原因分析

1.設(shè)備結(jié)構(gòu)原因

往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)工作特點(diǎn)是吸、排氣呈間歇性和周期性，使管內(nèi)氣體呈脈動狀態(tài),氣體參數(shù)溫度、壓力的變化，又隨時間做周期性變化。當(dāng)脈動的氣體沿管道輸送時，遇到彎頭、大小頭、閥門、控制閥等元件時將產(chǎn)生隨時間變化的激振力，受此激振力的作用，管道結(jié)構(gòu)及附件便產(chǎn)生一定的機(jī)械振動響應(yīng)，這就決定了設(shè)備進(jìn)出口管線會隨管內(nèi)流體出現(xiàn)一定程度的振動。目前車間使用的壓縮機(jī)共有0，50%，100%等3個負(fù)荷操作擋。在實(shí)際操作過程中，壓縮在0負(fù)荷時平均振動數(shù)值為2.5 mm/s，100%負(fù)荷時平均振動數(shù)值為10.4 mm/s。

2.共振原因

在往復(fù)式壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中存在著3個頻率。即管道內(nèi)氣體形成的氣柱固有頻率。管道、支架、管件等組成的管道系統(tǒng)機(jī)械固有頻率以及壓縮機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動形成的激發(fā)頻率。在氣柱固有頻率與激發(fā)頻率相近時，發(fā)生氣柱共振，產(chǎn)生較大的壓力脈動。管道系統(tǒng)機(jī)械固有頻率與激發(fā)頻率或氣柱的固有頻率相近時產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振。因此工程上常把系統(tǒng)固有頻率的0.8～1.2倍頻率的范圍作為共振區(qū)，只要激發(fā)頻率落在該頻率區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)就發(fā)生較大的振動。實(shí)際操作中，壓縮在50%操作負(fù)荷時，產(chǎn)生巨大的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，振動數(shù)值平均在15 mm/s以上。

3.對策

從上面的分析可以看出，壓縮機(jī)在50%負(fù)荷運(yùn)行時存在共振現(xiàn)象。100%負(fù)荷運(yùn)行時振動數(shù)值偏大。這些都對壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行造成很大的不安全隱患，因此要采取切實(shí)可行的辦法和措施。

在壓縮機(jī)周期性排氣與吸氣的激發(fā)下，引起氣柱振動，造成管道氣流的壓力脈動。壓力脈動作用在管道的轉(zhuǎn)彎處或截面變化處，激起管道做機(jī)械振動，在氣柱頻率與管道結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時，就會引起管道產(chǎn)生共振。

一般振動是考慮各種實(shí)際因素的實(shí)際振動，伴隨有摩擦，空氣阻力等能量損失，最終系統(tǒng)會因能量的缺失而停止。在某一個極短的時間段內(nèi)，對系統(tǒng)進(jìn)行分段分析，可以近似按照簡諧振動來分析。簡諧振動的周期公式見式（1）。

式中T——周期

m——質(zhì)量

k——比例系數(shù)

g——重力加速度

實(shí)際中，k可以表示不同的含義，例如：在單擺做簡諧運(yùn)動時，k=mg/L 代入式（1）即得 T=2π（L/g）1/2。因此，在原有系統(tǒng)中增加一些約束，就會改變原系統(tǒng)的質(zhì)量和比例系數(shù)（即k值）從而達(dá)到改變系統(tǒng)的頻率，避免共振現(xiàn)象。

三、調(diào)整管道系統(tǒng)機(jī)械固有頻率

1.管線和管架之間增加防振管卡

在壓縮機(jī)進(jìn)出口管線在管架接觸的部位總共增加了7根長度為230 mm,直徑為16 mm的U形防振固定卡。目的是減少管線的柔性，增加管線剛度。結(jié)構(gòu)如圖1中2，3所示。

圖1 防振固定卡

2.管線和管架之間增加防振設(shè)施

為保證壓縮機(jī)進(jìn)出口管線在管架處的充分接觸，在5根U形防振固定卡的安裝部位增設(shè)5 mm厚的橡膠墊，目的是起到吸振和減振效果。結(jié)構(gòu)如圖 1中 1，4所示。

3.增大管線支撐的剛性基礎(chǔ)

原來的管線支撐沒有剛性基礎(chǔ)，支撐的剛度很差。重新制作長寬高為50 cm×50 cm×65 cm的砼結(jié)構(gòu)剛性基礎(chǔ)，增加支撐的慣性質(zhì)量，目的是增加支撐的剛性。結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 砼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

4.管線支撐之間增加剛性聯(lián)結(jié)

在原有的2根壓縮機(jī)出口管線與2根管線支撐之間，增加2道（16#槽鋼）橫向連接桿。目的是降低支撐的柔性，增加支撐的剛性。結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 橫向連接桿

5.調(diào)整管道氣柱的固有頻率

查閱大量設(shè)計(jì)資料和文獻(xiàn)資料后認(rèn)為，選擇合適的部位增設(shè)孔板，就可以調(diào)整和改變管道氣柱的固有頻率。在壓縮機(jī)進(jìn)口緩沖罐D(zhuǎn)-1104的進(jìn)口增加孔板1塊；在壓縮機(jī)出口緩沖罐D(zhuǎn)-1105的進(jìn)口增加孔板1塊，管線規(guī)格為Φ108 mm×5 mm，材料20#鋼，目的是改變管道氣體的脈動波形（圖4）。

圖4 孔板安裝位置

圖5 孔板結(jié)構(gòu)尺寸

消振孔板（圖5）的孔徑要經(jīng)過壓力脈動計(jì)算確定，一般孔徑比為0.43～0.5,厚度為3～6 mm，且孔板內(nèi)徑邊緣處必須保留銳利棱角，通常安裝在緩沖罐的進(jìn)出口處.由于氫氣是低速氣體，設(shè)D為孔板安裝處管道內(nèi)徑，d孔板內(nèi)徑，h孔板厚度。取d/D=0.5，孔板直徑：d1=50 mm，D1=100 mm，h1=6 mm，d2=50 mm，D2=100 mm，h2=6 mm。

4.經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)

壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行過程中的安全問題至關(guān)重要。壓縮機(jī)管道振動是一個很復(fù)雜的問題，它同設(shè)備的設(shè)計(jì)質(zhì)量、制造質(zhì)量、管道的配置、管架的合理設(shè)置以及設(shè)備基礎(chǔ)的施工質(zhì)量等諸多因素有關(guān)。因此需要設(shè)計(jì)單位、設(shè)備制造商、施工承包商、工程監(jiān)理、工程建設(shè)方（業(yè)主）等多方的大力協(xié)作。

設(shè)計(jì)單位和設(shè)備制造商協(xié)作是最重要的，因?yàn)橹挥羞@樣才會避免因設(shè)計(jì)單位、設(shè)備制造商相互脫節(jié)而造成先天的不足，給設(shè)備的安全運(yùn)行埋下難以治理的安全隱患。只有這樣才能設(shè)計(jì)和建造出安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的環(huán)境，為企業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

四、效果及評價(jià)

1.管線振動數(shù)值大幅降低

在氫氣壓縮控制操作參數(shù)在100%的操作條件下，改造前氫氣壓縮機(jī)出口管線振動數(shù)值為：8.9，9.6，11.3，11.2，12.8，9.6，9.5 mm/s，平均 10.4 mm/s；改造后管線振動數(shù)值為：2.5，2.6，2.7，2.6，2.5，2.5，2.4 mm/s，平均為 2.5 mm/s。可以看出，改造后管線的振動數(shù)值大幅度降低，消除了存在的不安全隱患。

2.消除了共振現(xiàn)象

目前壓縮機(jī)在0，50%，100%等負(fù)荷運(yùn)行下均能平穩(wěn)運(yùn)行，尤其是在 50%負(fù)荷運(yùn)行時振動數(shù)值為：15.5，15.6，16.3，16.2，16.8，15.6，16.5 mm/s，平均 16.1 mm/s；改造后管線振動數(shù)值為：2.2，2.3，2.3，2.4，2.6，2.5，2.4 mm/s，平均 2.4 mm/s，未再發(fā)生共振現(xiàn)象。

3.改造方案有推廣價(jià)值

改造方案于2012年8月實(shí)施后，壓縮機(jī)已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行了50個月，管線振動數(shù)值平均在2.4～2.5 mm/s。表明壓縮機(jī)進(jìn)出口管線劇烈振動的問題已經(jīng)根治。