往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動與控制措施探討

馮丞科，王明星，弋山，侯磊

（1.中石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021；2.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司成都壓縮機(jī)分公司，四川 成都 610100）

往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動的控制問題受到了社會各界的關(guān)注，一方面是因?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)對我國工業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展有著十分重要的影響，另一方面是因?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)的發(fā)展空間很大，如果管系振動的控制問題能夠解決，那么往復(fù)式壓縮機(jī)將會迎來一個新的發(fā)展機(jī)遇。本文對往復(fù)式壓縮機(jī)的關(guān)系振動的產(chǎn)生進(jìn)行了探究，結(jié)合往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行原理，找出了能夠?qū)⑼鶑?fù)式壓縮機(jī)管系振動控制在一定范圍內(nèi)的解決措施，希望能夠?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)的減振工作提供參考，從而確保往復(fù)式壓縮機(jī)能夠安全高效地應(yīng)用到工業(yè)中。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動的產(chǎn)生原因

往復(fù)式壓縮機(jī)主要依靠活塞的運(yùn)動完成壓縮工作，在活塞運(yùn)動的周期性過程中管內(nèi)的氣體會隨著活塞的運(yùn)動排出和進(jìn)入管道，由于氣體的吸入和排出，管道會產(chǎn)生一定程度上的振動，再加上活塞的運(yùn)動，最終導(dǎo)致管道呈現(xiàn)周期性的振動趨勢，并且隨著活塞運(yùn)動逐漸加快，在管道口邊緣的氣體由于邊緣效應(yīng)表現(xiàn)出流動的狀態(tài)，最終導(dǎo)致管道內(nèi)的氣體流動情況呈現(xiàn)周期性變化的趨勢。隨著氣流脈動的產(chǎn)生，氣流脈動在經(jīng)過彎頭、分支管、閥門以及盲板等原件時由于碰撞將產(chǎn)生周期性的激振，在這種激振作用力的作用下，管系會產(chǎn)生周期性的振動，這種振動會隨著激振作用力的增大而增強(qiáng)，當(dāng)管系振動達(dá)到一定程度時就會影響到閥門的正常使用以及其他部分的正常運(yùn)行，導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機(jī)的工作效率降低，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機(jī)產(chǎn)生明顯的機(jī)械振動，加大了某些元件的磨損程度，甚至產(chǎn)生氣體泄漏最終引發(fā)爆炸等。除此以外，當(dāng)管內(nèi)氣體隨著活塞的運(yùn)動逐漸形成氣柱時，氣柱與管系也會產(chǎn)生共振作用，因?yàn)闅庵旧砀鶕?jù)特性會有一個固有頻率，該頻率與外界環(huán)境因素?zé)o關(guān)，只由氣柱本身的組成和其他的自身性質(zhì)決定，在氣柱與管系共同組成的系統(tǒng)中，氣柱的固有頻率并不能起到關(guān)鍵作用，其中能和管系形成共振的是氣柱的激發(fā)頻率，該頻率主要由活塞的運(yùn)動情況決定，與氣柱的自身情況關(guān)系不大。管系的振動情況便主要由氣柱的激發(fā)頻率和管系的振動頻率共同決定，我們在研究管系振動的控制措施時需要將氣柱的共振考慮進(jìn)去，從而最大程度上減小氣柱對管系振動控制工作帶來的影響。少數(shù)情況中還會出現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)自身的機(jī)械振動與管系振動產(chǎn)生共振的情況，這種情況造成的后果比較嚴(yán)重，它不僅會導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機(jī)的平衡性能降低，還會增加各個部分的摩擦，最終，影響到往復(fù)式壓縮機(jī)的正常工作。由此可見，控制好往復(fù)式壓縮機(jī)的管系振動是十分重要的。我們可以通過控制管系振動的范圍達(dá)到控制往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動的目的，一方面，是因?yàn)楣芟嫡駝拥姆秶梢酝ㄟ^減降低共振的可能性實(shí)現(xiàn)，操作起來比較方便；另一方面，是因?yàn)閷⒐芟嫡駝涌刂圃谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)可以有效延長往復(fù)式壓縮機(jī)的使用年限，降低了往復(fù)式壓縮機(jī)消耗的成本。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動分析中使用的控制標(biāo)準(zhǔn)

由于往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動的研究比較普遍，多數(shù)的研究都是采取的以下標(biāo)準(zhǔn)：首先是壓力脈沖的范圍不可以超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)為美國石油學(xué)會API618 指定的關(guān)于脈沖控制要求），其次，就是往復(fù)式壓縮機(jī)的機(jī)械振幅不可以超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)為美國壓縮機(jī)技術(shù)協(xié)會在機(jī)械振幅范圍方面提出的要求）該標(biāo)準(zhǔn)與壓力脈沖的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)是一致的，經(jīng)過計算可以找出二者之間的關(guān)系。下面對往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動的分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)介紹：首先是壓力脈沖的相關(guān)計算，當(dāng)壓力處于某固定范圍內(nèi)時，例如，0.35 ～20.7MPa 時，壓力的不均勻度按照固定的計算公式完成計算，其公式為X=126.77/（Pdf）^（1/2），其中X代表我們要求的壓力不均勻度，主要用來衡量關(guān)系壓力的分布情況；規(guī)定用P 代表管系內(nèi)部的壓力平均值，又叫作管內(nèi)絕對平均壓力，單位為MPa；公式中的d 代表的是管系內(nèi)部的直徑，單位為mm；f 則代表的是管系振動的脈沖頻率，單位為Hz。為了計算管系振動的脈沖頻率，我們可以選用以下計算公式：f=nm/60，公式中的f 表示的是我們要求的管系振動脈沖頻率，單位為Hz，n 代表的是往復(fù)式壓縮機(jī)中轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動速度，單位為r/min，而m 則主要表示氣柱的激發(fā)頻率的階次。為了計算方便，我們還需要根據(jù)美國石油協(xié)會API618 的規(guī)定計算出緩沖罐的內(nèi)部體積，主要用到的公式為：V1=9.27V(KT/M)^(1/2)，V2=V1/R^(1/K)，其中V1 主要表示的是往復(fù)式壓縮機(jī)管系入口的緩沖罐的最小容積，單位為m3；V2 則主要表示往復(fù)式壓縮機(jī)管系出口的緩沖罐的最小容積，單位與V1 相同，都是m3；K 表示的是緩沖罐的絕熱指數(shù)；而T 則表示的是管系吸入側(cè)的絕對溫度，其單位為K，由此可見，管系吸入側(cè)的絕對溫度與緩沖罐的絕熱指數(shù)有關(guān)；公式中的M 代表的是管內(nèi)氣體的氣體分子量；以V 表示與緩沖罐相連的氣缸每轉(zhuǎn)吸或者排出的氣體總凈容積，其單位為m3；公式中的R 代表的是氣缸的級壓比。用上面的公式就可以將往復(fù)式壓縮機(jī)的管系振動分析的控制標(biāo)準(zhǔn)計算出來，從而將管系振動控制在正常使用的范圍內(nèi)，為往復(fù)式壓縮機(jī)的高效運(yùn)行提供了依據(jù)。

3 往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動的控制措施

由于往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動的控制主要分兩部分完成，一部分就是關(guān)于管道壓力脈沖的控制，另一部分就是關(guān)于管道振動的控制，如果我們能夠?qū)崿F(xiàn)對這兩部分的有效控制，我們就可以有效地延長往復(fù)式壓縮機(jī)的使用壽命，切實(shí)提高往復(fù)式壓縮機(jī)的使用效率。下面著重對這兩部分的控制措施進(jìn)行介紹。

3.1 關(guān)于管道壓力脈沖的控制采取的相關(guān)措施

因?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)的工作主要依靠周期性的吸入和排出氣體實(shí)現(xiàn)的，在往復(fù)式壓縮機(jī)工作的過程中，難免會形成脈動狀態(tài)的氣體，這種脈動狀態(tài)的氣體是無法完全消除的，只能依靠相應(yīng)的控制措施進(jìn)行削弱，從而將管系振動控制在規(guī)定范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我們需要先將管內(nèi)產(chǎn)生的氣柱的固有頻率計算出來，從而確保氣柱的固有頻率與活塞產(chǎn)生的激發(fā)頻率相差較大，避免氣柱由于固有頻率與激發(fā)頻率相近而產(chǎn)生共振。我們可以通過以下幾種方式改變氣柱的固有頻率，例如，適當(dāng)調(diào)整緩沖罐的大小與位置、合理調(diào)整管道的內(nèi)徑與長短、調(diào)節(jié)管系的分支個數(shù)與位置等，除此以外，我們也可以通過調(diào)整管段的端點(diǎn)條件、孔板的安裝位置以及氣體介質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)等實(shí)現(xiàn)對氣柱固有頻率的調(diào)整，最終達(dá)到將氣柱的固有頻率與激發(fā)頻率保持較大的差距的目標(biāo)。除了需要注意避免氣柱產(chǎn)生共振外，我們還需要合理設(shè)計緩沖罐的安裝位置，避免因?yàn)榫彌_罐安裝位置不對而產(chǎn)生的管系振動。在選擇緩沖罐的安裝位置時，我們需要注意讓緩沖罐和氣缸盡可能靠近一些，一方面是因?yàn)榫彌_罐的位置靠近氣缸能夠加大氣柱固有頻率與激發(fā)頻率之間的差距，在一定程度上起到了消振的作用，另一方面是因?yàn)榫彌_罐具有調(diào)整氣體流動速度的功能，能夠削弱氣柱對管系的沖擊。在控制管道壓力脈沖的過程中，我們還需要合理增設(shè)消振孔板，從而避免壓力駐波的產(chǎn)生，進(jìn)而降低管系的壓力不均勻度，實(shí)現(xiàn)消除往復(fù)式壓縮機(jī)的機(jī)械振動的目的。總而言之，通過上述幾種方式控制管道壓力脈沖能夠有效延長往復(fù)式壓縮機(jī)的使用年限，提高往復(fù)式壓縮機(jī)的工作效率，為我國的工業(yè)生產(chǎn)效率的提高奠定基礎(chǔ)。

3.2 關(guān)于管道振動的控制采取的相關(guān)措施

管系振動的控制措施與管道壓力脈沖的控制措施相比而言是比較簡單，在控制管道振動的過程中我們需要將管系的氣柱與活塞的激發(fā)頻率以及管系的固有頻率共同構(gòu)成的管系機(jī)械固有頻率計算出來，通常情況下，低壓管道的機(jī)械固有頻率不會超過24Hz，而28Hz 及以上的頻率規(guī)定為高壓管道，除此以外，小于等于8MPa 的也可以劃分為低壓管道，反之，則為高壓管道。在管道機(jī)械固有頻率計算完成后，我們需要適當(dāng)減少管系的轉(zhuǎn)彎，確保管道的柔性符合往復(fù)式壓縮機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)要求，減少轉(zhuǎn)彎還能夠有效降低往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動的機(jī)械固有頻率，同時避免了激振力的增加。除此以外，我們還可以通過在文架處安裝防振管卡的方式降低管道振動的頻率，同時需要在管卡與管卡之間增加石棉橡膠板來確保管卡的正常使用，避免管卡與管卡互相影響。對于管道的安裝來說，我們應(yīng)該將管道安裝的盡量與地面平行，為支架的安裝提供方便，因?yàn)楫?dāng)支架不合理時很容易導(dǎo)致管道的應(yīng)用出現(xiàn)問題。最后，為了保持機(jī)組的平衡，我們需要盡可能降低轉(zhuǎn)動對管系振動的影響，確保進(jìn)出口能夠承受緩沖器的作用力，同時在閥門處安裝合適的支架，確保管系振動不會影響到閥門的正常使用。為了管系振動能夠得到良好的控制，我們需要認(rèn)真完成上述工作，為擴(kuò)展往復(fù)式壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

往復(fù)式壓縮機(jī)對于很多領(lǐng)域都有著十分重要的影響，但是管系振動的問題限制了往復(fù)式壓縮機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。為了解決上述問題，將往復(fù)式壓縮機(jī)引入更多的領(lǐng)域，我們需要做好往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動的控制工作，即將往復(fù)式壓縮機(jī)的管系振動頻率降低到正常范圍內(nèi)，從而確保往復(fù)式壓縮機(jī)的能夠正常使用，從而努力為社會的發(fā)展做出更多的貢獻(xiàn)。