往復(fù)式壓縮機管道的減振設(shè)計

續(xù)雯雯

（長嶺煉化岳陽工程設(shè)計有限公司，湖南岳陽 414000）

往復(fù)式壓縮機是加氫、催化裂化、重整等煉化裝置中的重要設(shè)備，其管道振動問題一直是困擾設(shè)計人員和車間工作人員的難題。持續(xù)的振動會使管道發(fā)生疲勞損傷，導(dǎo)致連接部位破裂、介質(zhì)泄漏，對裝置的安全及穩(wěn)定運行造成嚴(yán)重威脅。因此必須采取措施將往復(fù)式壓縮機的振動控制在合理的范圍內(nèi)。

1 振動產(chǎn)生的原因

壓力脈動是往復(fù)式壓縮機進(jìn)出口管道發(fā)生振動的首要原因，也是振動無法根除的內(nèi)因，這是由往復(fù)機間歇性、周期性的工作特點決定的。該工作特點致使管內(nèi)流體呈現(xiàn)脈動狀態(tài)，脈動的氣流沿管道傳輸，遇到彎頭、異徑管、控制閥等元件后產(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)生一定的機械振動響應(yīng)[1]。

另外一個引發(fā)管道劇烈振動的重要原因是共振，包括氣柱共振與結(jié)構(gòu)共振。管道系統(tǒng)內(nèi)所容納的氣體稱為氣柱，氣柱本身具有的振動頻率稱為氣柱固有頻率[2]；由管道及其組件構(gòu)成的系統(tǒng)具有的振動頻率稱為結(jié)構(gòu)固有頻率。當(dāng)氣柱固有頻率處于0.8fe~1.2fe區(qū)域時（fe為機組激振頻率），引發(fā)氣柱共振；當(dāng)結(jié)構(gòu)固有頻率處于0.8fe~1.2fe區(qū)域時，引發(fā)結(jié)構(gòu)共振[3]。

減輕往復(fù)式壓縮機的管道振動可以從消減壓力脈動、避免共振產(chǎn)生兩個方面著手。

2 壓力脈動的消減

2.1 壓力脈動分析實例

一般用壓力不均勻度來表征壓力脈動的大小[4]。壓力不均勻度越大，管道振動越劇烈。氣流脈動的消減主要是對壓力不均勻度進(jìn)行調(diào)整[5]，將其控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。關(guān)于壓力不均勻度的許用值，目前國內(nèi)外比較通用的標(biāo)準(zhǔn)是美國石油學(xué)會制定的API-618。配管完成后，需將進(jìn)出口管線的走向包括支架設(shè)置提交給制造廠或其他專業(yè)機構(gòu)進(jìn)行脈動分析，確保將壓力不均勻度控制在API-618規(guī)定的許用值范圍內(nèi)。

圖1是某石化公司60萬t/a煤焦油深加工聯(lián)合裝置液相加氫新氫壓縮機J2D20J（4）2.4MPa正常工況運行時一級進(jìn)氣至一級氣缸管路（A機）的氣流脈動分析模型。在脈動模擬時，該管系被劃分為24個單元，29個節(jié)點，各個節(jié)點位置的壓力脈動幅值結(jié)果如圖2所示。其中最大壓力幅值為5.187%，發(fā)生在一級進(jìn)氣緩沖器進(jìn)出口（節(jié)點2、3）。

圖1 一級進(jìn)氣至一級氣缸管路（A機）幾何模型

圖2 各節(jié)點壓力脈動幅值

根據(jù)API-618，除非另有規(guī)定準(zhǔn)則（如壓縮機效率的損失），壓縮機氣缸法蘭處未過濾的峰-峰脈動值應(yīng)限制在7%或由式（1）計算值中較小者范圍內(nèi)。

式中，Pef為在壓縮機氣缸法蘭處最大許用的未過濾峰-峰脈動值，用平均絕對管線的壓力的百分比來表示；

R為該級壓縮機壓力比。

對于該管路系統(tǒng)，壓縮機氣缸法蘭處的脈動峰—峰值不應(yīng)超過min（7%，3R%）=6.65%，結(jié)果在允許范圍內(nèi)。

2.2 壓力脈動的消減措施

2.2.1 選取合理的氣缸作用方式

氣流的脈動情況跟氣缸的作用方式直接相關(guān)。要從根本上減輕進(jìn)出口管道的氣流脈動，首先應(yīng)選取合理的氣缸作用方式[6]。

2.2.2 設(shè)置緩沖罐

設(shè)置緩沖罐是制造廠采取的最行之有效的減振措施。緩沖罐容積應(yīng)盡量大[7]，一般應(yīng)符合API-618的相關(guān)規(guī)定。緩沖罐位置盡量靠近氣缸，最好與氣缸法蘭直接相連。

2.2.3 加大管徑

加大管徑可以降低管端接收到的速度激發(fā)[2]，從而降低壓力不均勻度，但是管徑應(yīng)滿足工藝條件。

2.2.4 利用孔板消振

將適當(dāng)尺寸的孔板安裝于容器入口處，可以把管段內(nèi)的壓力脈動變成不具備反射條件的行波，同時阻止一定頻率的脈動在孔板以后的管道中通行[4]，從而消減氣流脈動。但是使用孔板會加大壓降，因此應(yīng)用時應(yīng)綜合考慮，慎重選擇。

3 共振的控制

3.1 共振分析

某些情況下，盡管將壓力脈動控制在了允許的范圍內(nèi)，但是由于管系結(jié)構(gòu)接近共振狀態(tài)，仍會引起較大的振動。為了避免管系發(fā)生氣柱共振和機械共振，必須對壓縮機出入口管道進(jìn)行振動分析。通過建立管網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，借助應(yīng)力分析軟件CAESARII，進(jìn)行管道應(yīng)力與結(jié)構(gòu)固有頻率的預(yù)測，評價由熱梯度、熱瞬變、管道安裝重量、靜壓力和應(yīng)變受約束產(chǎn)生的作用力以及應(yīng)力的柔性分析結(jié)果是否符合規(guī)范，結(jié)構(gòu)固有頻率與壓縮機激振頻率的分離裕度是否符合API-618的分離裕度準(zhǔn)則，按照該準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)固有頻率要離開激振頻率至少20%的范圍。通常是通過設(shè)置支架，必要時調(diào)整管道走向以得到符合規(guī)范的管道系統(tǒng)。

根據(jù)脈動分析實例中液相加氫新氫壓縮機J2D20J（4）管系（含支架）的動態(tài)分析結(jié)果，其最低結(jié)構(gòu)固有頻率為15.258Hz。J2D20J（4）壓縮機額定轉(zhuǎn)速為375r/min，氣缸都為雙作用，根據(jù)式（2）可以得出壓縮機的激振頻率為12.5Hz。全部管線的結(jié)構(gòu)固有頻率都離開系統(tǒng)基頻20%以上，符合API-618的要求。

式中：f為激發(fā)頻率，Hz；

N為壓縮機軸轉(zhuǎn)速，r/min；

z為壓縮機每轉(zhuǎn)的激發(fā)次數(shù)，單作用為1，雙作用為2。

3.2 共振的控制措施

壓力脈動主要由壓縮機廠家控制，因此在進(jìn)行壓縮機管道設(shè)計時主要是避免共振的發(fā)生。壓縮機的激發(fā)頻率是固定的，要避免共振，只能調(diào)整管系的固有頻率。

3.2.1 調(diào)整氣柱固有頻率

氣柱固有頻率的影響因素包括氣體的組成、緩沖器的尺寸和安裝位置、管徑、管系分支的設(shè)計、直管長度等，可以通過改變這些條件實現(xiàn)對氣柱固有頻率的調(diào)整[8]。由于有些因素受工藝條件限制不宜調(diào)整，配管時通常會通過改變管道走向?qū)庵逃蓄l率進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2 調(diào)整結(jié)構(gòu)固有頻率

管系剛度是結(jié)構(gòu)固有頻率的重要影響因素，加大管系剛度可以提高結(jié)構(gòu)固有頻率[9]，使其遠(yuǎn)離激振頻率的共振區(qū)。管系提交振動分析后，優(yōu)先會通過調(diào)整支架的數(shù)量、型式來調(diào)整管系的固有頻率。

在進(jìn)行在壓縮機的管道設(shè)計時，注意以下幾點，可以極大提高振動分析的通過率：①盡量減少重要區(qū)段的彎頭、三通、大小頭等容易產(chǎn)生激振力的元件，在有激振力產(chǎn)生的部位以及閥門等有集中荷載的部位最好設(shè)置支架；②進(jìn)出口管道的支架最好生根于深埋于地下的管墩或結(jié)構(gòu)立柱，盡量提高支架的剛度，且管墩、立柱應(yīng)設(shè)置獨立基礎(chǔ)，避免與壓縮機、廠房等的基礎(chǔ)碰撞；③支架采用防震管卡，管卡采用扁鋼，管卡和管道之間填充橡膠墊或聚四氟乙烯板，滿足管道的熱脹補償要求；④管道支架宜采取不等間距布置，打亂共振振幅，有效避免管系共振。

4 結(jié)束語

往復(fù)式壓縮機的工作原理決定其振動問題無法消除，但是只要明確振動產(chǎn)生的原因，從減輕壓力脈動、避免共振的角度出發(fā)，合理地進(jìn)行管道設(shè)計，便可將管道振動控制在允許的范圍內(nèi)。