【壓縮機(jī)網(wǎng)】摘要：往復(fù)壓縮機(jī)的管道防振設(shè)計(jì)是管道設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其工作原理決定了氣流脈動(dòng)不可避免，減振不能消除振動(dòng)，而是把振動(dòng)幅度盡可能降低。通過(guò)分析計(jì)算找到振動(dòng)的原因，采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行減振，使壓縮機(jī)在理想的工況條件下運(yùn)行。

　　文/張健

　　往復(fù)壓縮機(jī)是石油化工企業(yè)中的核心設(shè)備，相對(duì)于離心設(shè)備，其運(yùn)動(dòng)部件較多，如支撐環(huán)、氣閥等很多部件都是易損件，故障率較高。同時(shí)由于壓縮介質(zhì)通常是高溫、高壓、易燃、易爆氣體，一旦壓縮機(jī)出現(xiàn)故障，處理不當(dāng)可能會(huì)發(fā)生著火、爆炸等機(jī)毀人亡的惡性事故。往復(fù)壓縮機(jī)排氣管線振動(dòng)問(wèn)題同樣是困擾油氣儲(chǔ)運(yùn)、石油化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一大安全問(wèn)題，現(xiàn)階段通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的機(jī)組振動(dòng)、溫度信號(hào)還很難有效地對(duì)排氣管線振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷。長(zhǎng)期的超標(biāo)振動(dòng)會(huì)使排氣管線與其部件出現(xiàn)裂紋，由此導(dǎo)致壓縮機(jī)介質(zhì)的泄漏，影響到壓縮機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。排氣管道的振動(dòng)還可能引起壓縮機(jī)廠房振動(dòng)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)120dB的噪聲，對(duì)環(huán)境造成巨大危害。劇烈的管道振動(dòng)會(huì)引起管道和相連的設(shè)備產(chǎn)生疲勞裂紋，管道本身開(kāi)裂、緊固元件斷裂、容器爆炸，也會(huì)造成機(jī)組本身?yè)p壞，破壞力極大。壓縮機(jī)管道劇烈振動(dòng)還會(huì)減少壓縮機(jī)的排氣量，降低容積效率，功率損耗增大，導(dǎo)致控制儀表以及壓縮機(jī)氣閥等部件使用壽命減少，對(duì)裝置的安全生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

　　同時(shí)由于管線的振動(dòng)常常引起流程中其他裝置的振動(dòng)，如儲(chǔ)氣罐，給其他設(shè)備的安全運(yùn)行埋下隱患。往復(fù)壓縮機(jī)排氣管線的故障，主要表現(xiàn)為振動(dòng)值異常。在生產(chǎn)實(shí)際中，往復(fù)壓縮機(jī)管線的振動(dòng)造成了許多設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，停產(chǎn)等嚴(yán)重事故。所以研究出一種能解決往復(fù)壓縮機(jī)排出管線故障診斷與減振的方法，對(duì)生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

　　一、往復(fù)壓縮機(jī)管道振動(dòng)的原因

　　由往復(fù)壓縮機(jī)的工作方式可知，其管線的振動(dòng)形式是受迫振動(dòng)。根據(jù)激振力的不同情況，可以把管線的振動(dòng)原因分為三類。

　　1.由機(jī)組本身振動(dòng)引起的管線振動(dòng)。

　　2.由氣流脈動(dòng)所引起的管線振動(dòng)。

　　3.當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)激勵(lì)頻率與氣柱固有頻率或管線機(jī)械固有頻率重合或接近時(shí)，所引起的共振現(xiàn)象導(dǎo)致壓縮機(jī)管線振動(dòng)。

　　二、往復(fù)壓縮機(jī)管道共振的機(jī)理及判定方法

　　1.機(jī)組本體振動(dòng)導(dǎo)致管線振動(dòng)的機(jī)理

　　往復(fù)壓縮機(jī)本體的振動(dòng)有時(shí)會(huì)引起管線的劇烈振動(dòng)。往復(fù)壓縮機(jī)具有交替吸氣排氣的特點(diǎn)，從運(yùn)動(dòng)機(jī)理上講，這是為了平衡機(jī)組的往復(fù)慣性力和氣體力，其曲柄連桿的運(yùn)動(dòng)方式導(dǎo)致的。電機(jī)帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)360度，由于曲柄與連桿部分重量分布不平衡會(huì)產(chǎn)生往復(fù)及旋轉(zhuǎn)慣性力。曲柄通過(guò)連桿十字頭機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生很大的慣性力，這些慣性力如果沒(méi)有得到平衡就可能會(huì)引起排氣管線產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。往復(fù)壓縮機(jī)機(jī)組的安裝精度不夠、動(dòng)平衡不良、管道應(yīng)力過(guò)大、基礎(chǔ)不牢固等原因也可能引起機(jī)組和管道的劇烈振動(dòng)。特別是往復(fù)壓縮機(jī)的支撐和基礎(chǔ)底座，如果不滿足標(biāo)準(zhǔn)就起不到吸振和支撐的作用，會(huì)加劇管道的振動(dòng)。

　　2.機(jī)組本體振動(dòng)導(dǎo)致管線振動(dòng)的判定方法

　　為了判定往復(fù)壓縮機(jī)機(jī)組問(wèn)題導(dǎo)致的排氣管振動(dòng)，需要對(duì)壓縮機(jī)本體和振動(dòng)的情況進(jìn)行分析。如果在管線振動(dòng)過(guò)大的同時(shí)出現(xiàn)機(jī)組本體和壓縮機(jī)基座振動(dòng)超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的可接受值，并且在機(jī)組空載或低負(fù)荷情況下管線振動(dòng)依舊超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)，那么可以認(rèn)為管線振動(dòng)是由機(jī)組振動(dòng)所引起的。

　　3.氣栓壓力脈動(dòng)導(dǎo)致管線振動(dòng)的機(jī)理

　　往復(fù)壓縮機(jī)的運(yùn)行方式是吸氣、排氣過(guò)程呈周期性和間歇性變化，該方式使管線中的氣流產(chǎn)生脈動(dòng)，導(dǎo)致管道內(nèi)介質(zhì)的氣動(dòng)熱力特性隨著時(shí)間做周期性和間歇性變化，這些氣動(dòng)熱力包括壓力、密度、速度等。當(dāng)流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，排氣管道不振動(dòng)，當(dāng)這種變化的氣流沿管道輸送遇到一些變化的“路況”時(shí)，如彎頭、盲板、變徑管、控制閥等，使管線內(nèi)部局部壓力變化，就會(huì)表現(xiàn)出對(duì)管道的激振，使管道產(chǎn)生受迫振動(dòng)。

　　4.氣柱壓力脈動(dòng)導(dǎo)致管線振動(dòng)的判定方法

　　對(duì)于一臺(tái)管線振動(dòng)劇烈的往復(fù)壓縮機(jī)，首要任務(wù)就是計(jì)算排氣管線的壓力不均勻度，利用動(dòng)態(tài)壓力表或者直接從分布式控制系統(tǒng)中查詢壓力參數(shù)，得到壓縮機(jī)排氣壓力最大壓力值和最小壓力值。通過(guò)計(jì)算壓力脈動(dòng)的大小，根據(jù)壓縮機(jī)自身不同的情況，與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，即可判斷壓力脈動(dòng)是否在正常的范圍之內(nèi)。

　　5.由共振引起的管線振動(dòng)機(jī)理與判斷方法

　　當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)排氣管道發(fā)生共振的機(jī)理時(shí)，管線內(nèi)介質(zhì)會(huì)形成氣柱系統(tǒng)與往復(fù)壓縮機(jī)管道形成的機(jī)械系統(tǒng)，因此，往復(fù)壓縮機(jī)會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)頻率、氣柱系統(tǒng)固有頻率以及機(jī)械固有頻率。當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)的激勵(lì)頻率和兩個(gè)固有頻率之一接近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的共振現(xiàn)象。當(dāng)三者重合或接近時(shí)，有時(shí)甚至?xí)l(fā)生多種共振耦合的情況。

　　因此，管道系統(tǒng)的共振分為機(jī)械系統(tǒng)共振和氣柱系統(tǒng)共振。

　　氣柱共振是指當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)的激勵(lì)與氣柱本身的固有頻率接近或重合時(shí)，管線氣柱系統(tǒng)發(fā)生共振的現(xiàn)象。根據(jù)管線的具體形式和部件得到氣柱固有頻率，將壓縮機(jī)對(duì)管道的激勵(lì)與固有頻率進(jìn)行對(duì)比，如果激勵(lì)頻率落入氣柱固有頻率的共振區(qū)間，即可以判定管線氣柱發(fā)生共振。當(dāng)氣柱在某頻率的激勵(lì)下發(fā)生共振時(shí)，氣柱的壓力達(dá)到最大值。

　　當(dāng)壓縮機(jī)對(duì)管道激勵(lì)頻率落入管道結(jié)構(gòu)某一階固有頻率的共振區(qū)間時(shí)，管道可能會(huì)共振。管道系統(tǒng)如果沒(méi)有阻尼，發(fā)生共振時(shí)，管道的振幅值將接近無(wú)窮大，雖然實(shí)際情況下存在約束和摩擦，振動(dòng)會(huì)得到一定的控制，但振幅還會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)運(yùn)行許可標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)的激勵(lì)頻率落在管道的共振區(qū)間內(nèi)，通?？梢哉J(rèn)為管線發(fā)生了機(jī)械共振。根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速和機(jī)組作用方式得到往復(fù)壓縮機(jī)激勵(lì)頻率并且通過(guò)模擬分析方法得到往復(fù)壓縮機(jī)管線的各階固有頻率后，就可以進(jìn)行比較，根據(jù)兩者是否相近或重合來(lái)判定管線是否發(fā)生了機(jī)械共振。

　　三、往復(fù)壓縮機(jī)管道減振技術(shù)

　　1.針對(duì)機(jī)組振動(dòng)引起管線振動(dòng)的減振方法

　　針對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)機(jī)組本身引起的管線振動(dòng)，其解決方法的根本在于提高設(shè)備的支撐剛度和阻尼，尤其是往復(fù)壓縮機(jī)基礎(chǔ)底座的支撐剛度。如果是因?yàn)樵O(shè)備支撐固定不良或者剛度過(guò)低，首先應(yīng)考慮的是基礎(chǔ)本身出現(xiàn)問(wèn)題還是機(jī)械連接松動(dòng)問(wèn)題，若壓縮機(jī)基礎(chǔ)澆筑不牢，需要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行重新澆筑。

　　支撐松動(dòng)也會(huì)使管道在機(jī)組的帶動(dòng)下振動(dòng)超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)，所以在布置管線的支撐時(shí)，應(yīng)該保證沿地面鋪設(shè)支撐，地面之下設(shè)置合理的混凝土基礎(chǔ)，增加支撐的剛度。壓縮機(jī)管線的支撐應(yīng)該采用固定支撐或防振管卡，盡量避免采用懸掛結(jié)構(gòu)或者簡(jiǎn)單的支托；防振管卡布置時(shí)應(yīng)該盡量避免幾何上與管道同心、同型，并且可以在管道的加固位置和支撐位置加粘彈性材料的吸振襯墊。

　　2.針對(duì)壓力脈動(dòng)引起管線振動(dòng)的減振方法

　　（1）選擇合適的往復(fù)壓縮機(jī)類型。

　　不同類型的壓縮機(jī)對(duì)管線的激勵(lì)不同，選擇合適的壓縮機(jī)類型可以從根本上減小壓力振動(dòng)。

　?。?）在合適位置法蘭處加設(shè)孔板。

　　在合適的位置上增加孔板，可以大幅降低氣流脈動(dòng)的不均勻度，該方法比較容易實(shí)施。孔板是一個(gè)阻力元件，可以把管道中的壓力駐波轉(zhuǎn)換成只有單向行進(jìn)的行波，氣流壓力脈動(dòng)下降，管線振幅下降?？装逋ǔ０惭b在排氣管線緩沖罐的進(jìn)出口法蘭處，由于往復(fù)壓縮機(jī)管線振動(dòng)主要體現(xiàn)在低頻，所以在緩沖罐進(jìn)出口位置加孔板是對(duì)氣流脈動(dòng)最有效的抑制措施。

　?。?）增加緩沖罐。

　　可以利用壓縮機(jī)出口緩沖罐的容積減小壓力不均勻度，但不同型式的往復(fù)壓縮機(jī)對(duì)緩沖罐的體積大小有明確的要求，且緩沖罐的安裝位置離氣缸進(jìn)出口越近越好。最好緊挨壓縮機(jī)氣缸的進(jìn)出口處分別設(shè)置一個(gè)吸氣罐和排氣緩沖罐，這樣能最大限度地減小氣流脈動(dòng)。

　?。?）增大彎頭角度并在彎頭處加固支撐。

　　按照氣流脈動(dòng)的理論，彎頭的角度是往復(fù)壓縮機(jī)管道受到氣流脈動(dòng)的激勵(lì)力大小的重要因素之一，因此增大彎頭角度，可以減少壓力脈動(dòng)不均勻度對(duì)管道的激振力。由于現(xiàn)場(chǎng)條件有限，彎頭的角度不能過(guò)大。在彎頭附件加固支撐，使支撐的剛度變大，保證壓力脈動(dòng)不會(huì)引起較大的管線振動(dòng)。

　?。?）數(shù)臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)管線并聯(lián)排氣，使用集管器減小氣流脈動(dòng)。

　　多臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行并聯(lián)壓縮，如果將壓縮后的介質(zhì)通過(guò)排氣管線輸入到總管，由多個(gè)壓縮機(jī)所產(chǎn)生的氣流脈動(dòng)匯合之后就會(huì)進(jìn)行疊加，氣流脈動(dòng)的疊加有不確定性，疊加后氣流脈動(dòng)可能會(huì)增大也可能會(huì)減小，疊加之后的結(jié)果取決于各個(gè)壓縮機(jī)之間的曲軸轉(zhuǎn)角差。所以為了減小由于多臺(tái)壓縮機(jī)排氣匯合引起的振動(dòng)疊加，需要在各個(gè)排氣匯合到總管之前設(shè)法減小氣流脈動(dòng)?，F(xiàn)在工程上通用的方法是在總管匯合之前加入集管器，其工作原理與緩沖罐類似。

　?。?）采用阻尼器減小管線振動(dòng)。

　　對(duì)于氣流脈動(dòng)導(dǎo)致的管線振動(dòng)，可以通過(guò)增加阻尼器來(lái)減小。阻尼器就相當(dāng)于一個(gè)吸振器，把管線振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，從而使管線振動(dòng)減小。

　　3.針對(duì)共振原因的管線減振方法

　　首先，避免氣柱系統(tǒng)共振。氣柱系統(tǒng)的固有頻率取決于介質(zhì)的傳播速度和氣柱的長(zhǎng)度，當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)對(duì)管線的激勵(lì)頻率處于氣柱固有頻率的共振區(qū)間時(shí)，壓縮機(jī)管道內(nèi)的氣柱系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生共振，由于壓縮機(jī)的壓縮介質(zhì)無(wú)法改變，介質(zhì)的聲速就無(wú)法改變。想改變氣柱系統(tǒng)的固有頻率，只能通過(guò)改變氣柱系統(tǒng)長(zhǎng)度，氣柱系統(tǒng)的長(zhǎng)度就是壓縮機(jī)管線的長(zhǎng)度。所以往復(fù)壓縮機(jī)管線發(fā)生氣柱共振，需要重新配管布置。

　　其次，避免管道系統(tǒng)發(fā)生機(jī)械共振。當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)的激勵(lì)頻率落入其管線固有頻率共振區(qū)間時(shí)會(huì)引起管線系統(tǒng)機(jī)械共振。避免管線系統(tǒng)發(fā)生機(jī)械共振的關(guān)鍵就在于使激勵(lì)頻率和管線固有頻率錯(cuò)開(kāi)。管線系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率要比氣柱系統(tǒng)的固有頻率復(fù)雜很多，其決定因素有系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度、阻尼等，想要改變系統(tǒng)的固有頻率就要從這幾方面入手，目前應(yīng)用最廣的就是通過(guò)改變管線的支撐位置和數(shù)目來(lái)改變管道的固有頻率。

　　管線支撐的位置、數(shù)目、剛度、質(zhì)量等因素都影響著管線的固有頻率。增大系統(tǒng)的剛度，減小系統(tǒng)的質(zhì)量可以增大管道的固有頻率，反之則減小管道的固有頻率。安裝管道的支撐時(shí)，注意支撐的相互距離，保證大體上相同，但相鄰的兩段，其跨距絕對(duì)不能相等，這時(shí)每?jī)蓚€(gè)支撐之間的管段就可以視為一條管線，具有相應(yīng)的固有頻率，保持每段的跨距不一致，可使每段的固有頻率錯(cuò)開(kāi)，這樣就可以避免往復(fù)壓縮機(jī)的激勵(lì)所引起的整個(gè)管線的共振。

　　往復(fù)壓縮機(jī)的管道防振設(shè)計(jì)是管道設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其工作原理決定了氣流脈動(dòng)不可避免，減振不能消除振動(dòng)，而是把振動(dòng)幅度盡可能降低。氣流脈動(dòng)是引起管道振動(dòng)的內(nèi)因，管道結(jié)構(gòu)變化是引起振動(dòng)的條件，通過(guò)分析計(jì)算找到振動(dòng)的原因，采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行減振，使壓縮機(jī)在理想的工況條件下運(yùn)行。

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