孔板及緩沖罐對管內氣流脈動影響實驗研究

袁 偉 趙 杰 鄧貴德 楊智榮

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.北京石油化工學院 機械工程學院 北京 102617）

1 引言

孔板與緩沖罐是石油化工、催化煉化等行業常用的管道減振元器件及緩沖裝置，且作用機理是消減氣流脈動從而進行振動控制。這與管夾、支架、阻尼器等通過外部手段實現能量轉移或能量消耗的方式進行減振有根本的不同。

氣流脈動包括壓力及速度脈動，由文獻[1]可知管道振動基本是受壓力脈動的影響，因此本文研究的氣流脈動均為壓力脈動。壓力脈動常用壓力不均勻度表示，見式（1）。

式中：

δ ——壓力不均勻度；

pmax——最大壓力，MPa；

pmin——最小壓力，MPa；

p0——平均壓力，MPa，大小為最大壓力與最小壓力之和的一半。

壓力不均勻度越大，由氣流脈動引起的管道振動也就越強烈，因而其值需有所限定，20世紀80年代，美國石油協會發布了往復式壓縮機管道設計的標準（API-618），將壓力不均勻度許用值以公式的形式確定下來，2007年最新修訂的API-618給出的公式見式（2）[2]：

式中：

[δ]——壓力不均勻度許用值；

pL——管內平均絕對壓力，kgf/cm2（1kgf/cm2約為0.1MPa）；

d——管道內徑，mm；

f——脈動頻率，Hz；

a——氣體聲速，其值可參考式（3）計算。

式中：

K——氣體絕熱指數；

R——氣體常數；

T——氣體絕熱絕對溫度，K。

從理論意義上講，消減氣流脈動是更根本的管道減振方法，但其主要應用于管路設計階段，對于工程上出現的管路振動問題，通過添加孔板和緩沖罐的方式減振勢必會造成設備停車，影響企業效益，不過利用企業例行檢修時間以此方式進行管路的大規模改造，解決管路振動劇烈問題，也不失為一種可選的方法。

孔板影響氣流脈動和減振效果的主要因素有孔徑比、倒角形狀、孔板厚度、安裝位置等，且尤以孔徑比影響最大[3]。由文獻[3，4]及有關試驗可知，壓縮機管系中，孔板孔徑比常取為0.43～0.50，厚度常取3～5mm。孔板材料須與管材相同，內孔邊緣不需倒角，保留銳利棱角有助提升減振效果[5]。文獻[6]指出，實際工程應用中，添加孔板進行減振，可使振幅減小大概六到七成。孔板的作用不僅體現在它對氣流脈動和一般振動的消減作用，更體現在其對共振下的管線也具有很好的振動改善作用。不過需要指出的是孔板雖能對振動起到一定抑制作用，但是如果使用不當它將成為阻力元件[7]，長期運行將會增加功耗和企業負擔，不利于節能減排。

緩沖罐是一種結構簡單、加工使用方便，對管道振動進行控制的主動減振裝置，其減振需滿足兩個基本條件：一是位置要靠近氣缸；二是容積要足夠。除此之外，其進出口位置、結構形式、數量、安裝方式等也都有影響。文獻[3]和文獻[8]等介紹了多種不同結構的緩沖罐，文獻[9]指出，必要時可采用多個緩沖罐疊加使用的方式來進行減振。此外，從緩沖器的支撐設計上看，將支腿由臥式布置改為鞍式，可有效減緩振動幅度[10]。另外，為了獲得更好的減振效果，可以在保證緩沖罐距氣缸足夠近的情況下同時增大和氣缸相連管路的流通面積，在空腔結構的緩沖器內置濾波器或隔板等。

對于孔板的實驗研究，目前大多集中在孔徑比和厚度方面，筆者之前的相關實驗研究發現孔徑比在0.4～0.5，厚度3～5mm對壓力脈動的衰減效果最好，這與參考文獻[3]的研究結論基本一致。然而，對于孔板的安裝位置目前并未見到相關實驗研究，文獻[3，4]等對此都是粗略的定義為緩沖罐前后，具體是安裝在緩沖罐前還是緩沖罐后抑或是前后同時安裝沒能明確說明。而緩沖罐的研究熱點也集中在其結構形式，雖然容積因素影響巨大，但對其容積大小的確定大多都是經驗取值或公式確定，并未見有關驗證試驗。鑒于此，本文將對孔板的安裝位置和緩沖罐的容積大小進行實驗研究。

2 孔板減振實驗研究

本章主要對孔板安裝位置進行實驗研究，實驗管路外徑60mm，內徑50mm，管材為20#鋼，所采用的孔板孔徑比均為0.5，厚度5mm，孔板材質與管道相同。

圖1為實驗現場測試示意圖，實驗在設有大緩沖罐的氣流支路上進行，該罐的容積依據API-618標準確定，大小為0.066m3，實驗壓力為0.7MPa左右，對壓力脈動的測試是將壓力傳感器的測量數據傳遞給Wavebook數據采集儀，然后利用Dasylab軟件對采集的數據進行處理，可以同時得到壓力脈動的波動圖形及最大壓力和最小壓力，由此可確定壓力不均勻度的大小。

圖1 氣流脈動實驗現場圖

2.1 緩沖罐前加孔板下的實驗

在緩沖罐前入口法蘭處添加孔板，可在實驗條件下分別得到孔板前和緩沖罐后的壓力脈動曲線，如圖2所示，圖2中橫軸為時間，縱軸為壓力。

圖2 緩沖罐前加孔板實驗下的壓力脈動

由圖2可以看出，在緩沖罐前加孔板后，緩沖罐后的壓力脈動較孔板前波峰已明顯弱化，波動幅度減小。通過對數據采集儀采集的數據進行分析，可得孔板前的最大壓力為0.7095MPa，最小壓力為0.6910MPa，由此可得壓力不均勻度為2.642%；緩沖罐后的最大壓力為0.7007MPa，最小壓力為0.6935MPa，壓力不均勻度為1.033%，前后壓力不均勻度降幅明顯。

2.2 緩沖罐后加孔板下的實驗

在緩沖罐后加孔板實驗時，同樣可在實驗條件下分別得到緩沖罐前和孔板后的壓力脈動曲線，如圖3所示。

圖3 緩沖罐后加孔板實驗下的壓力脈動

由圖3可以發現在緩沖罐后加孔板，壓力脈動的變化似乎無明顯規律。通過對采集儀采集的數據進行分析，得到緩沖罐前的最大壓力為0.7080MPa，最小壓力為0.6950MPa，壓力不均勻度為1.853%；孔板后的最大壓力為0.7072MPa，最小壓力為0.6985MPa，壓力不均勻度為1.238%，前后壓力不均勻度降幅雖不明顯，卻均在數值上表現得比較小。

2.3 緩沖罐前后均加孔板下的實驗

在緩沖罐前后均安裝孔板下的壓力脈動曲線如圖4所示。對數據采集儀采集的數據進行分析，得到緩沖罐入口孔板前最大壓力為0.7118MPa，最小壓力為0.6930MPa，壓力不均勻度為2.677%；緩沖罐出口孔板后最大壓力為0.7033MPa，最小壓力為0.6965MPa，壓力不均勻度為0.972%，緩沖罐前后壓力不均勻度相差很大且罐后壓力不均勻度極低。

圖4 緩沖罐前后加孔板實驗下的壓力脈動

3 緩沖罐減振實驗研究

實驗系統設有兩條分別流通大小緩沖罐的并聯支路，見圖1，其中大緩沖罐前文已有所介紹，小緩沖罐容積為0.008m3，由Bentley PULS軟件模擬給出的使實驗系統具有明顯壓力脈動的緩沖容積確定，該軟件是一種交互式模擬軟件，常用于分析管道中的流體在穩態脈動流作用下的動態響應特性。圖5、圖6分別為流通大小緩沖罐支路時的壓力脈動情況。

圖5 大緩沖罐流通實驗下的壓力脈動

圖6 小緩沖罐流通實驗下的壓力脈動

對兩組實驗下的采集數據進行分析，可得到大小緩沖罐分別流通時，各壓力及壓力不均勻度數據，見表1，表1同時整理統計了之前各實驗下的相關數據，其中第一列測點位置入口端和出口端均表示的是對應實驗條件下的各緩沖罐的入口管路和出口管路上的相應壓力傳感器位置。對比表1中大小罐流通、無孔板實驗下的壓力不均勻度數據可以明顯看出緩沖罐容積對氣流脈動有很大影響，大緩沖罐前后壓力不均勻度相對較小說明API-618標準給出的緩沖罐最小容積計算公式確實有很高的參考和應用價值，而小緩沖罐前后壓力不均勻度確實較大，達到了軟件模擬的預期目的，說明利用Bentley PULS軟件模擬往復壓縮機管線的氣流脈動影響也是可行的。

表1 各實驗條件下的壓力數據

進一步分析表1各組實驗下的結果還可以發現如下一些規律：

在緩沖罐前入口法蘭處添加0.5孔徑比、5mm厚的孔板會使緩沖罐出口處的壓力不均勻度減小31%而入口處的壓力不均勻度增大22%，同時出口相較入口處的壓力不均勻度要低61%；在緩沖罐后出口法蘭添加相同的孔板后，緩沖罐出入口處的壓力不均勻度均呈現不同程度的降低，其中入口處降低15%，出口處降低17%，此外出口相較入口處的壓力不均勻度低33%；在緩沖罐前后均添加孔板，壓力不均勻度變化情況與在緩沖罐前加孔板時的情況基本一致。

壓縮空氣通過大緩沖罐和小緩沖罐時，緩沖罐前壓力不均勻度分別為2.174%、5.731%，緩沖罐后壓力不均勻度分別為1.489%、5.760%，而孔板相關實驗時壓力不均勻度最大為2.677%，最小為0.972%，故可以看出緩沖罐容積大小對壓力脈動的影響比孔板位置更大，由API-618標準設計出的緩沖罐出口處壓力不均勻度比入口處約低32%，對氣流脈動的抑制作用良好。

4 小結

本文就孔板的安裝位置及緩沖罐的容積大小對氣流脈動的影響進行了實驗研究，主要結論包括：

1）在緩沖罐后添加孔板，緩沖罐出入口處的壓力不均勻度均呈現不同程度的降低，其中入口處降低15%，出口處降低17%，對氣流脈動的總體抑制效果最好；在緩沖罐前添加孔板，會使緩沖罐出口處的壓力不均勻度減小31%而入口處增大22%，對緩沖罐后的管路氣流脈動抑制作用良好，但會加劇緩沖罐前管路的振動；而緩沖罐前后均添加孔板與只在緩沖罐前添加孔板的作用效果相同。

2）緩沖罐對壓力脈動的影響相比孔板更加顯著，緩沖容積是決定其作用效果的關鍵因素，最小容積的確定依據API-618給出的推薦公式計算或利用Bentley PULS軟件進行模擬是合理的。