往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)分析與優(yōu)化探討

杜超

（中國(guó)石油大慶石化分公司化工二廠，黑龍江 大慶 163714）

在流體的運(yùn)輸中，管道是非常重要的一環(huán)，尤其是在當(dāng)前的工業(yè)領(lǐng)域中，管道的應(yīng)用非常廣泛。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往復(fù)式壓縮機(jī)管道經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，使得壓縮機(jī)的正常運(yùn)行受到巨大影響，工作效率逐漸下降，對(duì)設(shè)備的安全性也形成了嚴(yán)重威脅。如果往復(fù)式壓縮機(jī)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致與其相連的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。另外，管道系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中一旦發(fā)生共振，會(huì)使得管道系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)單元安全運(yùn)行受到威脅，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)工業(yè)安全事故，造成大量人員傷亡。因此，必須針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)管道產(chǎn)生振動(dòng)的具體原因進(jìn)行深入剖析，并找出合理的解決措施，才能保障往復(fù)式壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)安全、高效的運(yùn)行。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)原因分析

在專(zhuān)業(yè)人員建立起管道流固耦合模型進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，管道機(jī)械低階固有頻率處在往復(fù)式壓縮機(jī)激發(fā)共振區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管道系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)；而管道內(nèi)部流體在高速流動(dòng)過(guò)程中通過(guò)彎管，由于會(huì)產(chǎn)生較大的管阻壓降以及二次流，導(dǎo)致彎曲管段位置的內(nèi)壁出現(xiàn)壓力低流速現(xiàn)象，彎曲管道的外壁會(huì)出現(xiàn)高流速低的現(xiàn)象。管道內(nèi)部流體會(huì)產(chǎn)生氣流脈動(dòng)現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象在開(kāi)始階段非常劇烈，隨著時(shí)間的增加而逐漸趨于平緩。氣流脈動(dòng)所引發(fā)的振動(dòng)頻率與往復(fù)式壓縮機(jī)自身的激發(fā)態(tài)頻率接近時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致管道產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。而往復(fù)式壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中在共振現(xiàn)象以及氣流脈動(dòng)的共同影響下，會(huì)導(dǎo)致管道產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。

1.1 共振

在往復(fù)式壓縮機(jī)管道運(yùn)行過(guò)程中，共振是其振動(dòng)的主要原因之一。處在往復(fù)式壓縮機(jī)管道內(nèi)部的氣體在流體運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)形成一個(gè)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通常被稱(chēng)為氣柱。氣柱本身會(huì)存在一定的頻率，這種頻率稱(chēng)為固有頻率，往復(fù)式壓縮機(jī)的活塞在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中所產(chǎn)生的頻率稱(chēng)為激發(fā)頻率。管道與其連接的相關(guān)元件會(huì)形成一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)所表現(xiàn)出來(lái)的頻率就是管道本身的固有頻率，而通常情況下，將0.8 ～1.2f 的頻率稱(chēng)為共振區(qū)。如果往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中氣柱的固有頻率與活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的激發(fā)頻率共振區(qū)發(fā)生重疊現(xiàn)象，就會(huì)使氣柱出現(xiàn)共振現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，就會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力脈沖。如果管道的固有頻率與活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的激發(fā)頻率共振區(qū)出現(xiàn)重疊，同樣會(huì)導(dǎo)致管道機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。而上述兩種共振的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)一步產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。鑒于此，在進(jìn)行往復(fù)式壓縮機(jī)管道的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要針對(duì)結(jié)構(gòu)共振和氣柱共振現(xiàn)象進(jìn)行充分考慮，最大程度避免共振現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以采取合理手段針對(duì)管道和氣柱的固有頻率進(jìn)行調(diào)整。

1.2 自身原因

往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)，而這種振動(dòng)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致管道產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。另外，如果往復(fù)式壓縮機(jī)在安裝施工過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的安裝方法，或者是機(jī)組完成安裝后動(dòng)平衡性能較差，機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)存在不合理設(shè)計(jì)之處，機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)存在不規(guī)范的現(xiàn)象，都會(huì)使得往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)管道振動(dòng)現(xiàn)象。

1.3 氣流脈動(dòng)

往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中氣流脈動(dòng)也是導(dǎo)致其管道產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因之一。氣流吸排在壓縮機(jī)工作過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)出一定的周期性和間歇性，因此，當(dāng)往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)，處在管道內(nèi)部的氣流必然會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象，在這種情況下，就會(huì)使得管道內(nèi)部流體流速、密度、壓力等相關(guān)參數(shù)在時(shí)間和空間不斷變化的情況下產(chǎn)生周期性變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為氣流脈動(dòng)現(xiàn)象。

管道內(nèi)部流體在經(jīng)過(guò)盲板、閥門(mén)、異徑管、彎頭、分支管等設(shè)備時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定的激振力。在這種激振力的作用下，會(huì)引發(fā)整個(gè)管道系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。隨著壓力脈動(dòng)的不斷增加，會(huì)使得管道振動(dòng)幅度逐步增加。當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，不僅會(huì)使往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行效率下降，也可能導(dǎo)致壓縮機(jī)系統(tǒng)中的氣閥不能進(jìn)行正常的開(kāi)啟和關(guān)閉，在一些情況下，管道系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)使得管道系統(tǒng)中部分元件出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。

2 管道振動(dòng)優(yōu)化處理措施

2.1 避免共振現(xiàn)象出現(xiàn)

通過(guò)上述分析可以知道，共振是導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機(jī)管道出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象的主要原因之一。鑒于此，在針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要盡量避開(kāi)共振管長(zhǎng)。共振管長(zhǎng)主要指當(dāng)活塞在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生一定激發(fā)頻率的情況下，往復(fù)式壓縮機(jī)管道實(shí)際產(chǎn)生振動(dòng)的管道長(zhǎng)度。在具體的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，要堅(jiān)決避免管道長(zhǎng)度與共振管長(zhǎng)出現(xiàn)一致現(xiàn)象，與此同時(shí)，還要對(duì)二階共振管道長(zhǎng)度給予高度重視，在此基礎(chǔ)上，才能夠有效避免往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對(duì)氣柱和管道系統(tǒng)的共振進(jìn)行有效預(yù)防，從而最大程度避免往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)管道振動(dòng)。

2.2 自身因素

首先，要針對(duì)管道進(jìn)行合理調(diào)整。在往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，異徑管及彎頭等接頭位置非常容易產(chǎn)生激振力，進(jìn)一步引發(fā)管道產(chǎn)生振動(dòng)。針對(duì)這種現(xiàn)象，在進(jìn)行管道路線設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該盡量避免使用異徑管以及彎頭等能夠產(chǎn)生激振力的元件。此外，如果整個(gè)管道系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了大量的轉(zhuǎn)彎環(huán)節(jié)，會(huì)對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)的高度造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致管道系統(tǒng)固有頻率下降。

其次，要針對(duì)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理支架。為了最大程度避免往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)管道共振現(xiàn)象，通常情況下，都需要充分保障管道系統(tǒng)自身的固有頻率最低值要超過(guò)激動(dòng)力的主頻率，而要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就要針對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)進(jìn)行合理調(diào)整，有效地增加整個(gè)管道系統(tǒng)的高度。

通常情況下，在進(jìn)行管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)低壓管道系統(tǒng)要保證其固有頻率超過(guò)24.0Hz，而針對(duì)高壓管道系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分保證其固有頻率超過(guò)28.0Hz。在具體的實(shí)施過(guò)程中，可以針對(duì)支架間距進(jìn)行合理調(diào)整，全面提升整個(gè)管道系統(tǒng)剛度，在此情形下，就能夠有效地提升整個(gè)管道系統(tǒng)的固有頻率。

2.3 設(shè)置緩沖器

針對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)合理位置設(shè)置相應(yīng)的緩沖器，能夠最大程度避免往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)管道振動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)有效增加緩沖器，不僅可以有效改變管道內(nèi)部氣柱的固有頻率，同時(shí)，還能夠?qū)饬髅}動(dòng)的幅值控制在最低程度，在此基礎(chǔ)上，就能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的有效控制。在具體針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)管道系統(tǒng)進(jìn)行緩沖器設(shè)置的過(guò)程中，要對(duì)緩沖器本身的設(shè)置位置以及容積的具體大小給予高度重視。在緩沖器設(shè)置位置方面，應(yīng)該充分保證緩沖期設(shè)置位置與往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸距離保持最近，這樣才能發(fā)揮出良好的緩沖效果。而針對(duì)緩沖器容積的大小方面，要盡量保證緩沖器的容積能夠超過(guò)往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸一個(gè)行程容積的10倍。只有在充分保證緩沖器容積大小以及安裝位置的合理性之后，才能夠讓管道內(nèi)部的氣體在流動(dòng)過(guò)程中保持平穩(wěn)，在此情況下，就能夠最大程度避免往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)管道振動(dòng)現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，往復(fù)式壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因?yàn)樽陨硪蛩亍⒐舱瘛饬髅}沖等幾種因素導(dǎo)致管道出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。而往復(fù)式壓縮機(jī)管道產(chǎn)生振動(dòng)后會(huì)對(duì)管道系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，而且也會(huì)使得往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行效率下降。鑒于此，要采取合理的措施有效地解決管道振動(dòng)問(wèn)題。在實(shí)際的施工中，可以通過(guò)對(duì)管道長(zhǎng)度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，最大程度避免管道系統(tǒng)出現(xiàn)拐彎現(xiàn)象，在合理位置設(shè)置容積大小科學(xué)的緩沖器可以有效避免往復(fù)式壓縮機(jī)管道出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。