周少成（中國石油西氣東輸管道公司，上?！?00122）

淺析往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的控制

周少成
（中國石油西氣東輸管道公司，上海200122）

往復(fù)式壓縮機(jī)在管系設(shè)計(jì)、安裝及應(yīng)用的過程中存在嚴(yán)重的管系振動(dòng)問題，因此研究如何控制往復(fù)式壓縮機(jī)管系的振動(dòng)變得至關(guān)重要。本文通過對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的原因分析，提出了三種減振措施，以便將管系振動(dòng)控制在一定閾值范圍內(nèi)，保證往復(fù)式壓縮機(jī)管系正常工作。

往復(fù)式壓縮機(jī)；管系振動(dòng)；減震措施

往復(fù)式壓縮機(jī)屬于容積型壓縮機(jī)，其通過氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使壓力升高，但內(nèi)部氣體的進(jìn)入與排出都是脈動(dòng)流動(dòng)特性，這樣會(huì)造成進(jìn)出口管道的脈沖性振動(dòng)。因此，輸氣管道的振動(dòng)，是壓縮機(jī)安全運(yùn)行的重大障礙。1996年，新疆吐哈油田丘陵液化石油氣廠從美國引進(jìn)4臺(tái)燃?xì)馔鶑?fù)式16SGT/W74型天然氣壓縮機(jī)，在1996年12月投用后，進(jìn)出口管道的振動(dòng)異常嚴(yán)重，導(dǎo)致系統(tǒng)多次出現(xiàn)故障。所以，解決往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的問題對(duì)于生產(chǎn)運(yùn)行有著重要意義。

1　往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的原因分析

解決往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)問題的第一步，就是要對(duì)造成管系振動(dòng)的原因進(jìn)行分析。往復(fù)式壓縮機(jī)是一種典型的容積式壓縮機(jī)，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得其工況具有間歇性、周期性的特點(diǎn)。1.1 平衡不合格或設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的振動(dòng)。一般情況下，合格的往復(fù)式壓縮機(jī)在出廠前必須滿足一定的設(shè)計(jì)條件，使各部件的作用力、慣性力、力矩及慣性矩處在動(dòng)平衡的狀態(tài)，從而保證其在正常的設(shè)計(jì)振動(dòng)范圍內(nèi)。若設(shè)計(jì)不當(dāng)、安裝不符合要求，會(huì)使產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到管道上，這樣將導(dǎo)致管道的局部應(yīng)力過于集中，產(chǎn)生疲勞裂紋，造成管系振動(dòng)。

1.2 氣流脈動(dòng)引起的振動(dòng)。往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理是吸氣流和排氣流間歇性、周期性地不斷變化，會(huì)使進(jìn)出口管道內(nèi)的流體呈脈動(dòng)狀態(tài)，從而使管道內(nèi)的流體參數(shù)隨著時(shí)間及位置的變化而產(chǎn)生氣流脈動(dòng)。高壓管道內(nèi)所輸送的氣流氣壓和氣流流速在往復(fù)式?jīng)_擊載荷的作用下也具有壓力不均勻的特點(diǎn)。這種特點(diǎn)可以用壓力不均勻度來描述，將壓力不均勻度定義為氣體壓力幅值與均值的之比，其表達(dá)式為：

δ=（Pmax-Pmin）/P0×100%

式中：Pmax—最大壓力值；Pmin—最小壓力值；P0—平均壓力值。

這種評(píng)述指標(biāo)存在其固有的缺陷，因?yàn)閴毫Σ痪鶆蚨戎荒芊从巢煌瑝毫l件下的要求。根據(jù)流體力學(xué)原理，此時(shí)的流速會(huì)隨著管徑變小而急劇上升，會(huì)對(duì)管道造成嚴(yán)重沖擊。同理，針對(duì)內(nèi)徑相同的管道，如果往復(fù)式壓縮機(jī)的活塞以更高的頻率工作，當(dāng)該工作頻率作用于氣流，形成激勵(lì)，而與管系的固有頻率相近的時(shí)候，將會(huì)發(fā)生共振致管系振幅增大從而釀成災(zāi)難性的后果。

2　往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的減振措施

2.2 增加緩沖器。增設(shè)緩沖器能使緩沖器后面管道內(nèi)的氣流脈動(dòng)變得緩和，可以降低在排氣或吸氣期間氣體沖擊所造成的損失，從而使緩沖器之后管道內(nèi)氣流平穩(wěn)。其平穩(wěn)的程度取決于氣缸對(duì)管道的作用方式、緩沖器容積的大小以及緩沖器的安裝位置。根據(jù)API618標(biāo)準(zhǔn)的第一種設(shè)計(jì)方式，最小的進(jìn)氣緩沖器容積為：

式中：Vs—最小的進(jìn)氣緩沖器容積，m2；K—平均運(yùn)行壓力及平均溫度條件下的絕熱指數(shù)；Ts —吸氣絕對(duì)溫度，K；PD—公用緩沖器所有氣缸在一轉(zhuǎn)中總體積流量；M —相對(duì)分子質(zhì)量。

最小的排氣緩沖器容積Vd為：

式中：R—?dú)飧椎膲毫Ρ取?/p>

API618標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定：Vs≥V0，并且Vs≥0.028m3。有時(shí)現(xiàn)場(chǎng)也可能遇到緩沖器容積符合API標(biāo)準(zhǔn)， 但由于管道原因，壓力不均勻度仍超出API標(biāo)準(zhǔn)。這種情況下， 還要根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)的其它方式，對(duì)緩沖器的容積進(jìn)行校驗(yàn)。同樣，可以利用傳感器采集緩沖器前后的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)其δ值進(jìn)行比較，可以檢驗(yàn)其減振效果。

2.2 在管道中合理設(shè)置孔板。可以在往復(fù)式壓縮機(jī)管道的適當(dāng)部位設(shè)置孔板，這樣可以有效消除振動(dòng)。其原理是在容積足夠大的容器進(jìn)口處增加合適尺寸的孔板，這樣孔板將和足夠大的容器共通，使管道的尾端不再具有反射條件，這樣不僅使原管道內(nèi)的駐波轉(zhuǎn)換成行波，而且還降低了管道中的不均勻壓力脈動(dòng)，從而達(dá)到減振的效果?？装宓奈恢眠x擇對(duì)減振的效果影響很大，孔板必須要安裝在大容器的進(jìn)出口的法蘭處，如圖1所示?？装宓某叽缫矊?duì)減振效果有很大的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)孔板的孔徑比為：d/D=0.43-0.5，厚度b=3-5mm時(shí)，其效果最佳。此時(shí)要求孔板的內(nèi)徑邊緣處要有銳利的棱角，不能倒角，否則效果會(huì)降低。

2.3 改變系統(tǒng)的共振頻率。管道系統(tǒng)的振動(dòng)，是由于其作用在系統(tǒng)上的激振力引起的。而在往復(fù)式壓縮機(jī)工作時(shí)，絕大多數(shù)振動(dòng)都是由于管道內(nèi)氣流壓力沖擊的脈動(dòng)引起的。在往復(fù)式壓縮機(jī)管道系統(tǒng)中，當(dāng)激振力的振動(dòng)頻率與管道系統(tǒng)的固有頻率相近時(shí)，則會(huì)發(fā)生共振。為了避免這種災(zāi)難性后果的發(fā)生，我們需要使往復(fù)式壓縮機(jī)的激振頻率與系統(tǒng)固有頻率之間有一定的頻帶寬度。而系統(tǒng)指定的往復(fù)式壓縮機(jī)的激振頻率是一定的，那么就只有提高管道系統(tǒng)的固有頻率。根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論可知，系統(tǒng)固有頻率的公式可以用等效剛度和等效質(zhì)量進(jìn)行描述：

式中：Ke—管道系統(tǒng)的等效剛度；Me—管道系統(tǒng)的等效質(zhì)量。

對(duì)管道系統(tǒng)的加固相當(dāng)于是質(zhì)量彈簧系統(tǒng)中彈簧的并聯(lián)，由上述公式可知，采用合適的方式對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行加固，提高整個(gè)管道系統(tǒng)的剛度，可以使得管道系統(tǒng)具有很高的固有頻率，從而有效避免共振。相關(guān)研究表明，鋼架用于支承管系和部分設(shè)備，對(duì)鋼架的技術(shù)指標(biāo)有兩個(gè)要求：①為管道和設(shè)備的支承點(diǎn)提供合適的剛度；②鋼架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最低固有頻率應(yīng)大于1.2×激發(fā)主頻。在相應(yīng)的三維造型軟件中進(jìn)行實(shí)體建模，通過ANSYS或者ABAQUS等商用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，得出系統(tǒng)的固有頻率和振型，進(jìn)而指導(dǎo)管道系統(tǒng)的改進(jìn)，以消除振動(dòng)。

結(jié)語

通過對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的原因分析，提出了三種有效的減振措施，以控制管道系統(tǒng)的振動(dòng)閾值，保證往復(fù)式壓縮機(jī)管系正常工作。

圖1　孔板的位置設(shè)置圖

[1]高尚業(yè).往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的控制[J].煉油設(shè)計(jì)，2000，30（01）：32-35.

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