袁 偉 趙 杰 鄧貴德 楊智榮

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 北京 102617）

1 引言

孔板與緩沖罐是石油化工、催化煉化等行業(yè)常用的管道減振元器件及緩沖裝置，且作用機(jī)理是消減氣流脈動(dòng)從而進(jìn)行振動(dòng)控制。這與管夾、支架、阻尼器等通過(guò)外部手段實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移或能量消耗的方式進(jìn)行減振有根本的不同。

氣流脈動(dòng)包括壓力及速度脈動(dòng)，由文獻(xiàn)[1]可知管道振動(dòng)基本是受壓力脈動(dòng)的影響，因此本文研究的氣流脈動(dòng)均為壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)常用壓力不均勻度表示，見式（1）。

式中：

δ ——壓力不均勻度；

pmax——最大壓力，MPa；

pmin——最小壓力，MPa；

p0——平均壓力，MPa，大小為最大壓力與最小壓力之和的一半。

壓力不均勻度越大，由氣流脈動(dòng)引起的管道振動(dòng)也就越強(qiáng)烈，因而其值需有所限定，20世紀(jì)80年代，美國(guó)石油協(xié)會(huì)發(fā)布了往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)（API-618），將壓力不均勻度許用值以公式的形式確定下來(lái)，2007年最新修訂的API-618給出的公式見式（2）[2]：

式中：

[δ]——壓力不均勻度許用值；

pL——管內(nèi)平均絕對(duì)壓力，kgf/cm2（1kgf/cm2約為0.1MPa）；

d——管道內(nèi)徑，mm；

f——脈動(dòng)頻率，Hz；

a——?dú)怏w聲速，其值可參考式（3）計(jì)算。

式中：

K——?dú)怏w絕熱指數(shù)；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——?dú)怏w絕熱絕對(duì)溫度，K。

從理論意義上講，消減氣流脈動(dòng)是更根本的管道減振方法，但其主要應(yīng)用于管路設(shè)計(jì)階段，對(duì)于工程上出現(xiàn)的管路振動(dòng)問題，通過(guò)添加孔板和緩沖罐的方式減振勢(shì)必會(huì)造成設(shè)備停車，影響企業(yè)效益，不過(guò)利用企業(yè)例行檢修時(shí)間以此方式進(jìn)行管路的大規(guī)模改造，解決管路振動(dòng)劇烈問題，也不失為一種可選的方法。

孔板影響氣流脈動(dòng)和減振效果的主要因素有孔徑比、倒角形狀、孔板厚度、安裝位置等，且尤以孔徑比影響最大[3]。由文獻(xiàn)[3，4]及有關(guān)試驗(yàn)可知，壓縮機(jī)管系中，孔板孔徑比常取為0.43～0.50，厚度常取3～5mm?？装宀牧享毰c管材相同，內(nèi)孔邊緣不需倒角，保留銳利棱角有助提升減振效果[5]。文獻(xiàn)[6]指出，實(shí)際工程應(yīng)用中，添加孔板進(jìn)行減振，可使振幅減小大概六到七成?？装宓淖饔貌粌H體現(xiàn)在它對(duì)氣流脈動(dòng)和一般振動(dòng)的消減作用，更體現(xiàn)在其對(duì)共振下的管線也具有很好的振動(dòng)改善作用。不過(guò)需要指出的是孔板雖能對(duì)振動(dòng)起到一定抑制作用，但是如果使用不當(dāng)它將成為阻力元件[7]，長(zhǎng)期運(yùn)行將會(huì)增加功耗和企業(yè)負(fù)擔(dān)，不利于節(jié)能減排。

緩沖罐是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工使用方便，對(duì)管道振動(dòng)進(jìn)行控制的主動(dòng)減振裝置，其減振需滿足兩個(gè)基本條件：一是位置要靠近氣缸；二是容積要足夠。除此之外，其進(jìn)出口位置、結(jié)構(gòu)形式、數(shù)量、安裝方式等也都有影響。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[8]等介紹了多種不同結(jié)構(gòu)的緩沖罐，文獻(xiàn)[9]指出，必要時(shí)可采用多個(gè)緩沖罐疊加使用的方式來(lái)進(jìn)行減振。此外，從緩沖器的支撐設(shè)計(jì)上看，將支腿由臥式布置改為鞍式，可有效減緩振動(dòng)幅度[10]。另外，為了獲得更好的減振效果，可以在保證緩沖罐距氣缸足夠近的情況下同時(shí)增大和氣缸相連管路的流通面積，在空腔結(jié)構(gòu)的緩沖器內(nèi)置濾波器或隔板等。

對(duì)于孔板的實(shí)驗(yàn)研究，目前大多集中在孔徑比和厚度方面，筆者之前的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)孔徑比在0.4～0.5，厚度3～5mm對(duì)壓力脈動(dòng)的衰減效果最好，這與參考文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)論基本一致。然而，對(duì)于孔板的安裝位置目前并未見到相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[3，4]等對(duì)此都是粗略的定義為緩沖罐前后，具體是安裝在緩沖罐前還是緩沖罐后抑或是前后同時(shí)安裝沒能明確說(shuō)明。而緩沖罐的研究熱點(diǎn)也集中在其結(jié)構(gòu)形式，雖然容積因素影響巨大，但對(duì)其容積大小的確定大多都是經(jīng)驗(yàn)取值或公式確定，并未見有關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。鑒于此，本文將對(duì)孔板的安裝位置和緩沖罐的容積大小進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 孔板減振實(shí)驗(yàn)研究

本章主要對(duì)孔板安裝位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)管路外徑60mm，內(nèi)徑50mm，管材為20#鋼，所采用的孔板孔徑比均為0.5，厚度5mm，孔板材質(zhì)與管道相同。

圖1為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖，實(shí)驗(yàn)在設(shè)有大緩沖罐的氣流支路上進(jìn)行，該罐的容積依據(jù)API-618標(biāo)準(zhǔn)確定，大小為0.066m3，實(shí)驗(yàn)壓力為0.7MPa左右，對(duì)壓力脈動(dòng)的測(cè)試是將壓力傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給Wavebook數(shù)據(jù)采集儀，然后利用Dasylab軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以同時(shí)得到壓力脈動(dòng)的波動(dòng)圖形及最大壓力和最小壓力，由此可確定壓力不均勻度的大小。

圖1 氣流脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

2.1 緩沖罐前加孔板下的實(shí)驗(yàn)

在緩沖罐前入口法蘭處添加孔板，可在實(shí)驗(yàn)條件下分別得到孔板前和緩沖罐后的壓力脈動(dòng)曲線，如圖2所示，圖2中橫軸為時(shí)間，縱軸為壓力。

圖2 緩沖罐前加孔板實(shí)驗(yàn)下的壓力脈動(dòng)

由圖2可以看出，在緩沖罐前加孔板后，緩沖罐后的壓力脈動(dòng)較孔板前波峰已明顯弱化，波動(dòng)幅度減小。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得孔板前的最大壓力為0.7095MPa，最小壓力為0.6910MPa，由此可得壓力不均勻度為2.642%；緩沖罐后的最大壓力為0.7007MPa，最小壓力為0.6935MPa，壓力不均勻度為1.033%，前后壓力不均勻度降幅明顯。

2.2 緩沖罐后加孔板下的實(shí)驗(yàn)

在緩沖罐后加孔板實(shí)驗(yàn)時(shí)，同樣可在實(shí)驗(yàn)條件下分別得到緩沖罐前和孔板后的壓力脈動(dòng)曲線，如圖3所示。

圖3 緩沖罐后加孔板實(shí)驗(yàn)下的壓力脈動(dòng)

由圖3可以發(fā)現(xiàn)在緩沖罐后加孔板，壓力脈動(dòng)的變化似乎無(wú)明顯規(guī)律。通過(guò)對(duì)采集儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到緩沖罐前的最大壓力為0.7080MPa，最小壓力為0.6950MPa，壓力不均勻度為1.853%；孔板后的最大壓力為0.7072MPa，最小壓力為0.6985MPa，壓力不均勻度為1.238%，前后壓力不均勻度降幅雖不明顯，卻均在數(shù)值上表現(xiàn)得比較小。

2.3 緩沖罐前后均加孔板下的實(shí)驗(yàn)

在緩沖罐前后均安裝孔板下的壓力脈動(dòng)曲線如圖4所示。對(duì)數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到緩沖罐入口孔板前最大壓力為0.7118MPa，最小壓力為0.6930MPa，壓力不均勻度為2.677%；緩沖罐出口孔板后最大壓力為0.7033MPa，最小壓力為0.6965MPa，壓力不均勻度為0.972%，緩沖罐前后壓力不均勻度相差很大且罐后壓力不均勻度極低。

圖4 緩沖罐前后加孔板實(shí)驗(yàn)下的壓力脈動(dòng)

3 緩沖罐減振實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)有兩條分別流通大小緩沖罐的并聯(lián)支路，見圖1，其中大緩沖罐前文已有所介紹，小緩沖罐容積為0.008m3，由Bentley PULS軟件模擬給出的使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有明顯壓力脈動(dòng)的緩沖容積確定，該軟件是一種交互式模擬軟件，常用于分析管道中的流體在穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)流作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。圖5、圖6分別為流通大小緩沖罐支路時(shí)的壓力脈動(dòng)情況。

圖5 大緩沖罐流通實(shí)驗(yàn)下的壓力脈動(dòng)

圖6 小緩沖罐流通實(shí)驗(yàn)下的壓力脈動(dòng)

對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)下的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到大小緩沖罐分別流通時(shí)，各壓力及壓力不均勻度數(shù)據(jù)，見表1，表1同時(shí)整理統(tǒng)計(jì)了之前各實(shí)驗(yàn)下的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中第一列測(cè)點(diǎn)位置入口端和出口端均表示的是對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下的各緩沖罐的入口管路和出口管路上的相應(yīng)壓力傳感器位置。對(duì)比表1中大小罐流通、無(wú)孔板實(shí)驗(yàn)下的壓力不均勻度數(shù)據(jù)可以明顯看出緩沖罐容積對(duì)氣流脈動(dòng)有很大影響，大緩沖罐前后壓力不均勻度相對(duì)較小說(shuō)明API-618標(biāo)準(zhǔn)給出的緩沖罐最小容積計(jì)算公式確實(shí)有很高的參考和應(yīng)用價(jià)值，而小緩沖罐前后壓力不均勻度確實(shí)較大，達(dá)到了軟件模擬的預(yù)期目的，說(shuō)明利用Bentley PULS軟件模擬往復(fù)壓縮機(jī)管線的氣流脈動(dòng)影響也是可行的。

表1 各實(shí)驗(yàn)條件下的壓力數(shù)據(jù)

進(jìn)一步分析表1各組實(shí)驗(yàn)下的結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)如下一些規(guī)律：

在緩沖罐前入口法蘭處添加0.5孔徑比、5mm厚的孔板會(huì)使緩沖罐出口處的壓力不均勻度減小31%而入口處的壓力不均勻度增大22%，同時(shí)出口相較入口處的壓力不均勻度要低61%；在緩沖罐后出口法蘭添加相同的孔板后，緩沖罐出入口處的壓力不均勻度均呈現(xiàn)不同程度的降低，其中入口處降低15%，出口處降低17%，此外出口相較入口處的壓力不均勻度低33%；在緩沖罐前后均添加孔板，壓力不均勻度變化情況與在緩沖罐前加孔板時(shí)的情況基本一致。

壓縮空氣通過(guò)大緩沖罐和小緩沖罐時(shí)，緩沖罐前壓力不均勻度分別為2.174%、5.731%，緩沖罐后壓力不均勻度分別為1.489%、5.760%，而孔板相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)壓力不均勻度最大為2.677%，最小為0.972%，故可以看出緩沖罐容積大小對(duì)壓力脈動(dòng)的影響比孔板位置更大，由API-618標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出的緩沖罐出口處壓力不均勻度比入口處約低32%，對(duì)氣流脈動(dòng)的抑制作用良好。

4 小結(jié)

本文就孔板的安裝位置及緩沖罐的容積大小對(duì)氣流脈動(dòng)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)論包括：

1）在緩沖罐后添加孔板，緩沖罐出入口處的壓力不均勻度均呈現(xiàn)不同程度的降低，其中入口處降低15%，出口處降低17%，對(duì)氣流脈動(dòng)的總體抑制效果最好；在緩沖罐前添加孔板，會(huì)使緩沖罐出口處的壓力不均勻度減小31%而入口處增大22%，對(duì)緩沖罐后的管路氣流脈動(dòng)抑制作用良好，但會(huì)加劇緩沖罐前管路的振動(dòng)；而緩沖罐前后均添加孔板與只在緩沖罐前添加孔板的作用效果相同。

2）緩沖罐對(duì)壓力脈動(dòng)的影響相比孔板更加顯著，緩沖容積是決定其作用效果的關(guān)鍵因素，最小容積的確定依據(jù)API-618給出的推薦公式計(jì)算或利用Bentley PULS軟件進(jìn)行模擬是合理的。