往復(fù)壓縮機(jī)管道減振技術(shù)的應(yīng)用

徐 賽，楊力蘇，呂 雪，王梓鑒，喻迪垚，孫 斌

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司，遼寧遼陽(yáng) 111003）

0 引言

往復(fù)壓縮機(jī)是一類重要的過(guò)程流體機(jī)械，隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，在煉化企業(yè)應(yīng)用十分廣泛。往復(fù)壓縮機(jī)的管道振動(dòng)是化工裝置的一種常見(jiàn)問(wèn)題，受到越來(lái)越廣泛的重視。嚴(yán)重的管道振動(dòng)與其造成的后果，威脅著裝置的安全生產(chǎn)。管道振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力，會(huì)引發(fā)管線的疲勞損傷，振動(dòng)所產(chǎn)生的位移會(huì)導(dǎo)致連接件的松動(dòng)和磨損，引發(fā)管線的松脫、掉架，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生管線撕裂，造成泄漏、燃燒及爆炸等嚴(yán)重的次生災(zāi)害。因此，研究往復(fù)壓縮機(jī)管道振動(dòng)的狀況及原因，并進(jìn)行有效的消減，對(duì)安全生產(chǎn)有著極為重要的意義。

1 問(wèn)題的提出與分析

遼陽(yáng)石化公司油化運(yùn)行部PSA 裝置設(shè)膜分離工段和PSA工段，其膜分離工段采用大連理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的高壓膜分離氫氣技術(shù)。以煉油運(yùn)行部混合干氣、芳烴運(yùn)行部PSA 解吸氣以及本裝置PSA 解吸氣、汽油加氫裝置分餾塔頂氣、渣油加氫裝置汽提塔頂氣為原料，經(jīng)過(guò)混合解吸氣壓縮機(jī)壓縮、氫氣膜分離、滲透氣壓縮后生產(chǎn)滲透氣送往PSA 工段提純，滲余氣送入公司燃料氣管網(wǎng)。

混合解吸氣壓縮機(jī)由沈陽(yáng)遠(yuǎn)大壓縮機(jī)股份有限公司制造，2018 年7 月份投產(chǎn)。機(jī)組采用對(duì)稱平衡型往復(fù)式，四列二級(jí)壓縮，氣缸為臥式雙作用，氣缸進(jìn)、排氣口均按上進(jìn)、下出布置。壓縮機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，曲軸轉(zhuǎn)數(shù)為300 r/min，活塞的平均速度為3.5 m/s。氣缸、活塞和填料函按無(wú)油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，氣缸采用除鹽水強(qiáng)制冷卻。A 機(jī)采用HydroCOM 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)，B 機(jī)氣量調(diào)節(jié)采用頂開(kāi)吸氣閥卸荷器作氣量調(diào)節(jié)（圖1）。

圖1 機(jī)組概貌

壓縮機(jī)運(yùn)行期間，機(jī)組曲軸箱、各氣閥振動(dòng)合格，最高振值6.4 mm/s，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但系統(tǒng)管系振動(dòng)嚴(yán)重，采用VM63 手持式測(cè)振儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，一級(jí)出口總管、二級(jí)進(jìn)出口管道振值較高，二級(jí)進(jìn)出口管線振動(dòng)尤為劇烈。壓縮機(jī)一級(jí)入口管線為DN600，該條管道振動(dòng)良好，振動(dòng)速度約2.3 mm/s；經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后一級(jí)出口管線為DN400，管道振動(dòng)速度增大5～7 mm/s；壓縮機(jī)二級(jí)入口管線為DN300，振動(dòng)速度為7～8 mm/s；壓縮機(jī)二級(jí)出口管線為DN150，其振動(dòng)速度為14～16 mm/s，各測(cè)點(diǎn)振值見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值 mm/s

對(duì)出入口管道進(jìn)行勘查，分析現(xiàn)場(chǎng)管線的排布及振動(dòng)情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管線的排布，以及在使用過(guò)程中結(jié)合混合解吸氣壓縮機(jī)的運(yùn)行工況分析，該混合解吸氣壓縮機(jī)管路振動(dòng)主要由氣流脈動(dòng)引起。由于其自身的結(jié)構(gòu)形式，往復(fù)壓縮機(jī)的吸排氣流有著周期性和間歇性變化的特點(diǎn)，這不可避免地會(huì)使系統(tǒng)管路內(nèi)的氣體產(chǎn)生脈動(dòng)。脈動(dòng)的氣流沿管道輸送時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的激振力，受到該激振力的影響，管道產(chǎn)生機(jī)械響應(yīng)，壓力脈動(dòng)越大、管道的振動(dòng)響應(yīng)越大。管道上產(chǎn)生的應(yīng)力與振幅直接相關(guān)，過(guò)大的振動(dòng)會(huì)使得管道和接管的焊口、接管座、疏水管道、連接線、信號(hào)線、溫度和壓力測(cè)點(diǎn)等連接部位疲勞開(kāi)裂導(dǎo)致泄漏，如長(zhǎng)期不安全運(yùn)行會(huì)對(duì)管道和相關(guān)設(shè)備造成威脅，該機(jī)組曾發(fā)生過(guò)因管系振動(dòng)過(guò)高小接管斷裂的事件。

2 管道減振措施

當(dāng)管道存在明顯的振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)管道進(jìn)行目測(cè)檢查，記錄發(fā)生振動(dòng)的時(shí)間、頻率、振值、支吊架和管道附件是否損壞失效、管道是否變形等。分析振動(dòng)原因并采取相應(yīng)的措施，應(yīng)注意的是，盡量避免使用剛性約束固定管道，以免使振動(dòng)轉(zhuǎn)移到內(nèi)部造成損傷。常用的管道減振方式主要有以下4 種：

2.1 在特定位置設(shè)置孔板

孔板是一種阻力原件，氣流在經(jīng)過(guò)孔板時(shí)會(huì)發(fā)生能量損失，從而使氣流的脈動(dòng)下降，不同尺寸的孔板對(duì)應(yīng)著不同的局部損失系數(shù)。對(duì)于設(shè)備管系來(lái)說(shuō)，一般將孔板設(shè)置在脈動(dòng)較大的位置。在選用孔板時(shí)，孔板的厚度、孔徑、材料應(yīng)作為重要因素來(lái)考慮，避免安裝后造成氣體截流、孔板損壞、或腐蝕等附加問(wèn)題的發(fā)生。

2.2 優(yōu)化管道的布置形式或尺寸

壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到在不同工況下的的氣流脈動(dòng)情況，特別是在無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的今天，更應(yīng)核算不同氣量對(duì)機(jī)組及管系振動(dòng)的影響。核算管系振動(dòng)模態(tài)，應(yīng)盡量避免氣柱頻率落在其固有頻率范圍內(nèi)。此外，由于標(biāo)準(zhǔn)管件本身強(qiáng)度較高，壓縮機(jī)的主要工藝管道應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)管件，對(duì)于儀表接管、三通等不能使用標(biāo)準(zhǔn)管件的位置，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)措施。

2.3 合理設(shè)置管道支撐

常用的管道支撐按照用途分為滑動(dòng)支架、固定支架、導(dǎo)向支架等。其設(shè)計(jì)、施工應(yīng)符合GB/T 17116—2018《管道支吊架 第1部分：技術(shù)規(guī)范》的要求。管道支撐件應(yīng)盡量采用獨(dú)立基礎(chǔ)，避免設(shè)置在框架、廠房的結(jié)構(gòu)梁上，以防發(fā)生共振。另外管道支架需要不等間距布置，其差值一般取100～200 mm，2 個(gè)支架的間距一般不大于3 m，支架上應(yīng)設(shè)置防振管卡。此外，嚴(yán)禁用剛性約束的方式加固管線，以避免應(yīng)力集中，造成局部撕裂。

2.4 采用阻尼減振器

阻尼減振器，是通過(guò)將管道振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為阻尼液的熱能來(lái)進(jìn)行減振，是一種有效的柔性減振裝置。它的特點(diǎn)是，在管道的所有自由度上都能產(chǎn)生阻尼和減振的效果；對(duì)沖擊性載荷產(chǎn)生較大的阻尼，對(duì)微小振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生阻尼效果；阻尼響應(yīng)迅速，無(wú)時(shí)間延遲；阻尼液性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)，全周期免維護(hù)。

阻尼器隔振原理為：上連接板通過(guò)管夾附件跟管道連接在一起，下連接板固定在鋼梁或基礎(chǔ)上，阻尼液吸附在柱塞的外表面和外殼體的內(nèi)壁上，管道振動(dòng)時(shí)帶動(dòng)上連接板和柱塞同步振動(dòng)，柱塞對(duì)阻尼液產(chǎn)生擠壓和拉伸，受擠壓和拉伸的阻尼液會(huì)將產(chǎn)生熱量，將管道振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能（圖2）。

圖2 阻尼減振器示意

在設(shè)計(jì)上，管道系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)滿足剛度和強(qiáng)度兩方面要求。剛度決定了管道系統(tǒng)的固有頻率，剛度越大，固有頻率越高。對(duì)于管道系統(tǒng)，其走向、彎頭及三通數(shù)量、管徑、壁厚及支撐狀況都會(huì)影響到系統(tǒng)的剛度。通常情況下，管徑、壁厚條件不易改變，改變系統(tǒng)剛度主要通過(guò)調(diào)整管道走向及管道支撐來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在這兩者中，通過(guò)增減管道支撐以調(diào)整管道的固有頻率，以避開(kāi)激振力中的低頻成分，從而降低管道的振動(dòng)，是應(yīng)用較為廣泛，且經(jīng)濟(jì)性較好的調(diào)整方法。

通常解決管系振動(dòng)的方法是增設(shè)限位來(lái)阻止管系振動(dòng)，但這樣會(huì)大幅度增加管系的振動(dòng)頻率，而且使管系的振動(dòng)位置發(fā)生轉(zhuǎn)移。采用阻尼器可以很好地解決管系振動(dòng)問(wèn)題，因?yàn)樽枘崞髦饕且揽炕钊谧枘嵋褐械募羟泻蛿D壓作用產(chǎn)生阻尼力，阻尼力大小與振動(dòng)的速度基本成正比，而且屬于柔性阻尼，不會(huì)引起管系振動(dòng)位置發(fā)生位移。

該混合解吸氣壓縮機(jī)管道振動(dòng)的解決思路為，不改變管道系統(tǒng)的走向、外徑、壁厚及原有原支吊架的位置，在合適的位置增加阻尼減振器，在不改變系統(tǒng)剛度的情況下增大阻尼，減小管道對(duì)低階激振力的響應(yīng)，以減小管道的振動(dòng)和晃動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，擬在機(jī)組4 個(gè)位置安裝阻尼減振器：

（1）隔振點(diǎn)1：利用現(xiàn)有兩側(cè)立柱，將兩立柱通過(guò)型材連接在一起，增加鋼架的強(qiáng)度。

（2）隔振點(diǎn)2：彎頭處介質(zhì)流速變化快，對(duì)管道產(chǎn)生激振力相對(duì)更明顯。

（3）隔振點(diǎn)3：壓縮機(jī)安裝在高位時(shí)，相關(guān)管道與支撐鋼梁之間形成共振，需要改變管道的固有頻率，從而避免共振的發(fā)生。

（4）隔振點(diǎn)4：管道在匯集位置處流動(dòng)會(huì)發(fā)生急劇變化，豎直管段流出的介質(zhì)會(huì)沖擊水平管段的介質(zhì)，這樣在匯集位置會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)混亂的紊流，從而產(chǎn)生激振力，在靠近三通位置加裝阻尼器（圖3）。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)安裝效果

安裝阻尼減振器后，機(jī)組投用至正常負(fù)荷，采用VM 63 A手持式測(cè)振儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，管線振幅大幅下降，系統(tǒng)最大振幅8.9 mm/s，符合ISO 20816 標(biāo)準(zhǔn)中A 區(qū)振幅的要求。壓縮機(jī)投入生產(chǎn)并校核運(yùn)行6 個(gè)月，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各工況下振值均滿足生產(chǎn)要求。各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 安裝阻尼器前后管線振動(dòng)值對(duì)比 mm/s

3 結(jié)束語(yǔ)

由往復(fù)壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)可知，管道振動(dòng)是不可避免的，管道的振動(dòng)嚴(yán)禁采取強(qiáng)制剛性約束等“簡(jiǎn)單粗暴”的法進(jìn)行隔振和消振。在本案例中，氣流脈動(dòng)是管道振動(dòng)的內(nèi)因，管道的結(jié)構(gòu)是引起振動(dòng)的條件，通過(guò)測(cè)試、分析和計(jì)算，采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行減振，使壓縮機(jī)達(dá)到理想工況，對(duì)于壓縮機(jī)組和管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要意義。