（中海石油化學股份有限公司，海南東方 572600）

1 引言

干冰裝置二氧化碳壓縮機C0101A/B。該往復壓縮機自2006年投用后管道振動大，并在2018年由于管道振動造成一級緩沖罐出口管道裂紋，三級緩沖罐出口裂紋，管道裂紋具體位置如圖1、2。通過分析二氧化碳往復式壓縮機管道振動大的原因和采取有效措施降低管道振動，為設備安全運轉，裝置安全運行創(chuàng)造有利條件。

壓縮機主要技術參數(shù)表。

2 原因分析

（1）氣流脈動引起振動

在生產中往復壓縮機的管道振動大，往往是氣流脈動造成的。往復壓縮機由于吸、排量的間歇性和周期性使管道流體的壓力、速度、密度等性能參數(shù)隨時間呈周期的變化。脈動氣流是往復壓縮機自身做工特性，不可避免出現(xiàn)的一個振動源，在管道運輸過程中遇到法蘭、閥門、彎頭、三通等管道元件時會產生隨流速和壓力的變化引發(fā)激振力，并造成管道、緩沖罐、換熱器、支撐架等振動。壓縮機中氣流的脈動會造成許多危害，降低壓縮機容積效率，引起額外的功率消耗，使氣閥工況變壞，控制儀表失靈，引起管道振動等。緩沖器是減小氣流脈動的有效措施。本機在主機各級進出口處均設有緩沖器，用于減小氣流脈動，有利于壓縮機的平穩(wěn)運轉。緩沖器容積設計要求需比氣缸行程容積大10倍以上，以達到減振的目的，而美國API標準比國內設計要求的容積要稍大。

圖1 一級緩沖罐出口管道斷裂處

圖2 三級緩沖罐出口出現(xiàn)裂紋處

現(xiàn)場二氧化碳往復式壓縮機主要參數(shù)如表1，根據(jù)圓柱體體積=底面積×高，其中π取3.14，高為往復壓縮機的行程240 mm，一級為雙作用缸，其行程容積應為2V。將數(shù)據(jù)代入圓柱體積計算公式公式計算各級行程容積其10倍容積表2與一、二、三級緩沖罐容積如表3。通過表中的容積對比，發(fā)現(xiàn)其一級緩沖罐及二級緩沖罐容積不滿足國內緩沖罐容積為氣缸行程容積10倍以上的設計要求，特別是一級緩沖罐不到其缸體行程容積的4倍，與設計要求的相差甚遠。由于一、二級緩沖罐的容積不滿足設計要求，其在消除管道氣流脈動能力不足，殘余氣流脈動會造成較大的管道振動。三級緩沖罐雖然其容積滿足國內設計要求，但出口管道彎頭過于靠近罐體，且為90°彎頭，周期性的氣流脈動對管道產生沖擊，從而增大管道振動及產生應力，是造成緩沖罐出口裂紋的主要原因。

通過表中的容積對比，發(fā)現(xiàn)其一級出口緩沖罐及二級出口緩沖罐容積不滿足設計要求。消除管道氣流脈動能力不足，殘余氣流脈動會造成較大的管道振動。三級緩沖罐出口管道彎頭過于靠近罐體，且為90°彎頭，對管道產生沖擊，增大管道振動。氣體脈沖是機組管道振動大的影響因素。

表1 壓縮機主要技術參數(shù)表

表2 二氧化碳往復式壓縮機各級行程容積及其10倍容積表

表3 一級、二級、三級緩沖罐容積表

（2）共振引起的管道強烈振動

管路系統(tǒng)內輸送的氣體容積是氣柱，氣柱可以壓縮、膨脹，并存在質量。它本身就是一個振動系統(tǒng)，具有一定的頻率，即氣柱固有頻率。管子、管件和支架組成的彈性系統(tǒng)，根據(jù)配管情況、支撐的類型和位置，也會有一系列的固有頻率即管系機械固有頻率。

共振分為氣柱共振與機械共振。當壓縮機管道內氣流所受到的氣缸激發(fā)力的頻率和氣柱固有頻率或管系固有頻率相等或相近時，會發(fā)生氣柱共振或機械共振；活塞往復運動頻率屬于激發(fā)頻率，計算公式為mn/60。如果氣柱固有頻率或管系機械固有頻率落在0.8～1.2倍激發(fā)頻率范圍，則會產生較大的壓力脈動，并引發(fā)氣柱共振或機械共振。它們都會導致管道、壓縮機和基礎的強烈振動。激發(fā)頻率和氣柱固有頻率分別按下列公式計算（1）

式中 m——曲軸轉動一周，向管道內吸入或排出氣體次數(shù)，單作用壓縮機m=1雙作用壓縮機m=2

n——壓縮機曲軸轉速，r/min

i——氣柱固有頻率階次，i=1，2，3…….氣體的聲速，約為340m/s

L——氣柱長度，即管道長度

進過計算一級fn=16.5，二、三級fn=8.25一級管道到二級缸體長約15 m，計算得到f=5.66，兩者頻率比不在0.8～1.2倍之間，其余部分通過計算也不在共振范圍內。同時通過測量管道振動頻率，發(fā)現(xiàn)其未在氣柱與激發(fā)頻率的0.8～1.2倍范圍內。故干冰裝置二氧化碳往復式壓縮管道上，未發(fā)現(xiàn)共振現(xiàn)象，排除共振因素對管道造成的振動大。

（3）外力引起的管道振動

管道振動的原因是多樣的，干冰裝置處于熱帶季風氣候的海南，海風或臺風猛吹時，亦會引發(fā)管道振動.但二氧化碳往復式壓縮機安裝在壓縮廠房，工作環(huán)境良好不存在外力引起管道振動情況，可排除。

（4）機組振動引起的管道振動

往復壓縮機不平衡質量產生的慣性力、設備裝配不當都會引發(fā)機組和管道振動，從而導致與它連接的管道引發(fā)管系振動。機組在2006年設備安裝試車時，由于對中不良，引起缸體振動大。設備停運后，再次進行了對中找正，調整高度使設備對中良好，再次運行，缸體振動良好。壓縮機進出口氣閥定期更換，進出口閥門開度正常。壓縮機運行至今已多次檢修，其中在2018年對機組進行了大修，在大修期間對軸承，轉子等進行檢查，除了軸瓦間隙小，其余未發(fā)現(xiàn)其它問題。同時調整軸承間隙后進行復查對中，機組檢修結束后，開機缸體振動情況良好。但管道振動幅度沒有明顯減弱，可排除機組本身振動大引起管道振動大的因素。

3 解決措施

通過上述分析，可以得出引起管道振動大的兩大原因為：

（1）機組出口緩沖罐設計偏小，尤其是一級出口緩沖罐0.26 m3，僅為設計要求0.696 m3的37.3%，造成緩沖罐對氣體緩沖效果不佳，無法有效的消除氣體的脈動沖擊，是造成管道振動大主要因素。

（2）管道設計布置不合理：壓縮機管道空間布局過于狹小，管道需要彎曲的點多，且彎頭角度過大或是靠近設備出口處有較大幅度的彎曲，且離緩沖罐體太近，這樣的布局會增加管道受到的沖擊載荷，進一步增大管道振動。

雖然增加緩沖罐容積，使其達到設計要求是消除管道振動的最佳方式，但是設備廠房已經建設完成，空間有限，更新改造緩沖罐，需要對壓縮廠房進行擴建，還需要對管道的布置進行調整，改造周期長。綜合考慮經濟成本和施工時間等因素，決定現(xiàn)階段不宜進行大改動。故在現(xiàn)有條件下裝置通過對壓縮機管道振動大的管線進行加固和低壓振動大的管道加裝金屬軟管是現(xiàn)階段降低管道振動的最佳方式。

加固方法：（1）在原管道支持上開孔，并用管箍將管道固定在管道支持上。為了防止管道與管箍發(fā)生磨擦損傷管道，在管道與管箍中間填放3 mm厚橡膠墊，提高緊固質量，并對懸空管線進行補充支撐，提高其剛度。

（2）在有管道支撐的基礎上，再增加斜撐，并在斜撐上用管箍鎖緊管道，已達到加強管道約束力。

該方法降低其振動幅度及頻率，以緩解對設備及管道的傷害，起到良好效果。

加裝金屬軟管：二氧化碳壓縮機一級出口管道壓力＜0.35 MPa，在二氧化碳一級出口到二級入口管道上截取，并安裝上相同尺寸的金屬軟管，有效的降低管道應振動產生疲勞斷裂的風險。

4 結語

通過上述原因分析和措施有效的降低二氧化碳往復式壓縮機管道的振動，使設備更加安全穩(wěn)定的運行，為裝置的長周期穩(wěn)定生產打下了良好基礎。為其他同類型設備的管理提供了參考。然而引起往復壓縮機管道振動的原因一般較為復雜，應根據(jù)實際情況找到引發(fā)振動的主要原因，有針對性的消除振動缺陷，并且在往復壓縮機設計、安裝、維護時，要嚴格執(zhí)行設計標準，讓緩沖罐容積足夠，可以有效避免機組管道振動超標的問題。