往复压缩机管线的阻尼减振应用

杨秀峰，何立东，吕　江，王晨阳

（北京化工大学 高端机械装备健康监测与自愈化北京市重点实验室，北京 100029）



往复压缩机管线的阻尼减振应用

杨秀峰，何立东，吕江，王晨阳

（北京化工大学 高端机械装备健康监测与自愈化北京市重点实验室，北京 100029）

摘要：针对石家庄某炼化企业往复氢气压缩机管线振动问题，研究管道系统的阻尼减振技术。现场测量管线的振动与空间布置参数，运用有限元分析软件进行模态计算与阻尼减振模拟仿真，并结合管道系统的实际振动情况，分析出管线振动的原因。根据振动成因分析及模拟仿真结果，设计出合理的阻尼减振方案。在不改变原有管线结构、压缩机不停机的情况下，安装阻尼器于管线的指定位置，有效地减小振动管线各处的振幅至安全范围内，消除了管线振动产生的安全隐患，保障生产长周期安全进行。

关键词：振动与波；往复压缩机；管道振动；仿真分析；阻尼器；振动控制

往复式压缩机具有压力范围广、热效率高、比功率低等优点，所以广泛地应用在石油化工行业，可谓是石化企业的心脏。然而压缩机气缸间歇性吸气或排气，形成气流脉动，当脉动气流遇到弯头、变径管、阀门时就会对管道产生冲击，引起管道振动。强烈的管道振动可能会造成焊缝的开裂、仪表的损坏、螺栓的松动等后果，此外持续的管道振动会导致整个管道系统疲劳失效[1，2]。对于氢气压缩机，一旦出现上述情况，就会造成氢气的泄漏，引起爆炸，造成后果不可估量。所以对管道振动的控制一直是设备工程师们研究的热点。管道振动的控制，目前分为理论研究及应用研究两个方面。理论研究主要着重于管道振动形成的机理，如非线性流固耦合等[3]。应用研究主要从管道振动出发，采用隔振、阻振、吸振、加装支撑等方法进行减振[4]。

阻尼减振是利用阻尼器腔内的黏滞性高分子液体作为介质，通过导向杆与管道连接，将管道振动产生的动能迅速传递至高黏性液体，并转化为热能释放，同时保证能量不会传到往复压缩机或者其他管道上，实现降低振动的目的[5]。阻尼器对往复压缩机没有任何副作用，可降低各个方向的振动，对运行振动与冲击荷载一样有效。能够在不停机的情况下安装，不用维修，寿命长，因此与其它减振方法相比，具有独特的优点[6–8]。

本文通过测量石家庄某炼化公司260万吨柴油加氢装置新氢压缩机组K101二级出口管道振动频率与位移，运用Ansys对管系进行模态分析，根据结果得出振动的原因，并采取了管道阻尼减振技术，有效地降低了管线的振动，保证了设备长期稳定运行。

1　压缩机管道振动情况

此次改造管线为压缩机组K101二级出口管线，其中压缩机曲轴转速300 r/min、输出功率3 094 kW、介质为氢气、管道公称直径为DN 150，介质温度和压力分别为129℃和10.8 MPa。管道现场走向见图1，图中自出口弯头1到出口弯头3的总长度约为16.5 m，中间有四个支架。机组工作时，管道振动值在出口弯头2处为最大，肉眼可观测到管道大幅度晃动。而距离出口弯头2距离越远的管道，振动值越小，加装支撑处的振动值也较小。强烈的振动造成靠近出口弯头2处的支架多次开裂，厂方多次更换。虽然弯头1处的振动较弯头3较小，但也达到879 μm，造成其与出口缓冲罐连接处出现细小裂纹。

图1　出口管线走向图

2　压缩机出口管道振动原因分析

2.1出口管线振动原因

化工管道振动一般是由流体的激振力引起，较大的激振力造成管道的强迫振动，当激振力频率和管道系统的固有频率相近时还会造成强烈的共振，对设备造成极大的损伤。

(1)往复氢气压缩机一个不可避免的缺点就是在运行时会间歇性吸、排气产生气柱，此气柱是脉动的，产生脉动压力，当交替变化的激振力作用于管道时必将引起其振动，而管道的振动又反作用于脉动流体，造成更为复杂的流体流动情况，产生耦合振动。而该压缩机二级出口管道内介质压力非常高，达到10.8 MPa，当高压流体流经管道的弯头、阀门等设备时必将激励管道振动。目前针对此问题的解决方法是安装出口缓冲罐、孔板等缓解流体的压力脉动，但有时也不能把振动控制在安全范围之内；

(2)此管线段共有3个弯头，一个管法兰，一个阀门。当脉动流体流过此类设备时将会造成流体流速和方向的改变，产生漩涡等恶劣流况，加剧流体的脉动，从而产生更为严重的振动。而且，管线上的弯头半径均较小，所以流体激振情况更为严重。工程上一般改用较大半径的弯头或者在弯头处加装导流板改善流况；

(3)该振动管线总长度约为16.5 m，而仅有四个吊架，且支撑约束较薄弱，不能对管道起到很好的约束作用，整个管系刚度较小，加之管内流体压力高，必将引起管道的激烈振动。管道也不允许随便加装刚性支撑，这不仅不会耗散掉振动能量，反而还会使振动发生转移，如果振动能量转移到结构的薄弱区域，会更容易发生事故。

2.2出口管线有限元分析

当流体的激振频率和管系的某1阶固有频率相近时，就会产生共振，激发出此阶模态下的振型。共振是结构最危险的振动情况，在设计中应当避免。应用有限元软件Ansys对管路系统进行建模分析，得到了各阶频率振型，并与现场情况进行比较分析[9]。

(1)根据压缩机出口管线的走向、支撑情况以及管道参数等用Ansys建立有限元模型如图2所示。按照实际情况对模型划分网格和施加边界条件，进行模态分析。

图2　管线有限元模型

(2)Ansys模态分析的结果见表1，从表1可知管道的第1阶固有频率为9.037 Hz，相对较低，在较大激振力作用下容易产生较大的振动。

表1　管道系统前5阶固有频率

3）往复压缩机气流脉动的频率跟压缩机气缸数以及转速相关，激发频率的计算公式为

其中m为压缩机气缸个数，n压缩机主轴转速，单位为r/min。K 101压缩机为双作用式，m=2，主轴转速为300 r/min，根据式（1）可知气流脉动频率为10 Hz。在工程上常把0.8 f～1.2 f的频率范围作为激发频率共振区，当管系机械固有频率落在激发频率共振区范围时，发生结构共振。此管道共振区频率应该为8.00 Hz～12.00 Hz，而由Ansys模态计算可知管道系统的第1阶固有频率为9.037 Hz，落入共振区，由此可知，造成管道振动的主要原因为共振。管道的第1阶模态振型如图3所示，图4是共振时的位移云图。由图可知，在管道振动方向主要为横向摆动，振动位移在第二个弯头处达到最大。距离第二个弯头越远的地方振动越小，这和现场管道的振动情况相吻合。

图3　管道1阶模态振型

图4　管道1阶共振位移云图

3　减振方案的模拟仿真及实施效果

3.1阻尼减振模拟仿真

依据管道的具体参数及约束，运用有限元软件SAP 2000进行建模及划分网格，在模型中施加简谐激振力，进行阻尼减振计算[10]。对比模型中未设置阻尼器及设置阻尼器的计算结果，可得出良好抑振效果时对应阻尼器数量及分布情况。其中，计算时使用的阻尼项为该项目中使用黏滞阻尼器（非线性阻尼器）的参数，其阻尼指数为0.3，各向最大位移量为±20 mm，阻尼系数为137 kN·s/m。未设置阻尼器模型如图5所示，在管内流体冲击和共振耦合作用下，管道A、B、C处振动剧烈，主要为横向摆动，其余方向幅值较小可忽略不计，其中A处相对较小，B处较大，C处最大，与实际工况相符；计算时分别在A、B、C处设置1、2、3个阻尼器，得到如图6所示的设置阻尼器模型，对比图5、6中7个测点处设置阻尼器前后的振动位移峰峰值，见图7。

图5　管道系统无阻尼模型

图6　管道系统有阻尼模型

图7　管道模型设置阻尼器前后各测点振幅对比图

由图7可知，设置阻尼器后管道的各处振动均得到有效控制，其中，未设置阻尼器时管道最大振动峰峰值为3 496 μm，设置阻尼器后降为385 μm，降幅达到88.99%，表明按此方案布置阻尼器对管道振动系统的减振效果十分显著。

3.2阻尼减振方案

结合阻尼减振模拟仿真，在整个管系的六个位置安装6个黏粘滞性阻尼器以降低管道的振动，使管道设备在安全允许范围内运行，阻尼器安装示意图如图8所示，图9为现场阻尼器安装图。

图8　阻尼器安装示意图

图9　阻尼器现场安装图

3.3阻尼减振效果

安装阻尼器后，用便携式振动测量仪对如图10所示的管道7个位置的z方向振动位移峰峰值进行了测量，并与安装阻尼器前的振动值进行比较，结果如表2所示。

图10　测点分布图

表2　管线减振前后位移幅值

通过安装阻尼器，测点5处管道的最大振幅降为357 μm，降幅达89.2%；测点1处的降幅为68%，振幅降为281 μm。其它位置处的位移也都有很大程度的减小，减振百分比介于测点1和5之间。管道所有位置处的振幅处于安全范围内，减振改造效果显著。

4结　语

(1)往复压缩机由于流体脉动的不可消除性，其管线振动是一个普遍的现象。尤其对高压力的氢气压缩机，剧烈的振动会给企业的生产带来极大的安全隐患；

(2)应用有限元分析软件Ansys对管路系统进行模态分析，得到管系的固有频率和其所对应的振型，有利于分析管道振动成因；运用有限元软件SAP 2000进行阻尼减振仿真计算，依据仿真结果制定合理的减振方案；

(3)黏滞性阻尼器能够在不改变管系原有结构、不停车的情况下进行安装，消耗振动能量，不造成能量的转移。实践证明其能有效地降低氢气压缩机管线的振动，保障设备的安全运行，提高管道的寿命，为石化企业的安全生产以及节能减排做出贡献。

参考文献：

[1]顾海明，黄振仁.往复式压缩机管道振动原因的分析[J].石油化工设备技术，1999，20（2）：26-28.

[2]韩万富，何立东，裴正武，等.丁烷往复压缩机出口管道的阻尼减振研究[J].压缩机技术，2012，(5)：52-56.

[3]Sorokin S V,Olhoff N,Ershova O A.Analysis of the energy transmission in spatial piping systems with heavy internalfluidloading[J].JournalofSoundand Vibration,2008,310:1141-1166.

[4]胡士光，沈小要.核电厂管道振动原因分析及对策[J].噪声与振动控制，2015，35（3）：208-210.

[5]赵仁芳，常建华.液体粘滞阻尼消能减震技术的探讨[J].有色金属设计，2006，（4）：37-41.

[6]唐沸涛，何立东，姜杨，等.离心和往复压缩机管系振动及阻尼减振技术研究[J].化工设备与管道，2009，46（4）33-35.

[7]叶正强，李爱群，徐幼麟.工程结构黏滞流体阻尼器减振新技术及其应用[J].东南大学学报，2002，32（3）：466-473.

[8]陈果，何立东，韩万富，等.甲醇输送管道的振动分析及阻尼减振技术[J].噪声与振动控制，2013，33（3）：65-68.

[9]张洪才，何波.有限元分析-Ansys 13.0从入门到实践[M].北京：机械工业出版社，2010：136-147.

[10]胡朋，何立东，张震坤，等.基于阻尼减振技术的热电厂减温减压器管道研究[J].机电工程，2014，31（1）：53-56.

中图分类号：TH457

文献标识码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.039

文章编号：1006-1355(2016)01-0183-04

收稿日期：2015-07-08

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）(2012CB026000)；北京市教育委员会共建项目专项资助与博士点基金（20110010110009）

作者简介：杨秀峰（1991-），男，江西省上饶市人，硕士生，主要研究方向为管道及旋转机械振动控制研究。E-mail:yxiufeng08@163.com

通讯作者：何立东，男，博士生导师。E-mail:he63@263.net

Application of Damping Technology to the Vibration Control of a Reciprocating Compressor’s Pipeline

YANG Xiu-feng,HE Li-dong,LVJiang,WANG Chen-yang

(Beijing Key Laboratory of Health Monitoring and Self-Recovery for High End Mechanical Equipment, Beijing 100029,China)

Abstract:In order to reduce the vibration in a reciprocating compressor’s pipeline system in a petrochemical factory in Shijiazhuang,the vibration damping technique for the pipeline system was studied.The vibration and the layout parameters of the pipeline system were measured.The vibration causes were found by analyzing the vibration data of the pipeline system and calculating its modals by means of the finite element software.Damping vibration of the pipeline was simulated by applying SAP 2000 software.According to the vibration causes and the result of the damping simulation,a reasonable vibration damping scheme was designed.The result shows that installing dampers in the appropriate place can effectively reduce the vibration amplitude and eliminate the security risks of the pressure pipeline,and ensure the safety of production without shutting down the machine unit or changing the original structure of the pipeline.

Key words:vibration and wave;reciprocating compressors;pipeline vibration;simulation analysis;vibration damper; vibration control