往复式压缩机管系控振方法研究

刘春雷

(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003)

往复式压缩机管系控振方法研究

刘春雷

(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003)

往复式压缩机附属管系的振动问题是石化企业普遍存在的问题之一，如何有效地控振，对企业的安全生产有着重要的意义。本文首先从理论上阐述了管系产生振动的根本原因，然后考虑了管道设计、制造、施工等方面的因素，给出了有效的消振处理措施。

往复式压缩机；管系；振动；管道设计

往复式压缩机是石油化工装置的核心设备之一，由于其自身结构的原因，使机组本身及其附属管系存在不同程度的振动问题。其中，管系的振动对压缩机的工艺性能有一定的影响，甚至会使管道自身产生疲劳破坏，对企业的安全生产构成严重威胁。本文首先分析了管系产生振动的根本原因，然后主要从管道设计的角度出发，给出了相应的减振建议。

1 管系振动的根本原因

化工装置中，与压缩机相关连的设备及其管道构成了一个复杂的机械振动系统，该系统受其内部结构及外部条件的影响，存在着潜在的振动倾向，影响该振动系统的因素便是管系产生振动的根本原因，主要体现在以下几个方面：

1．1 流体脉动

往复式压缩机吸排气的间歇性和周期性使管道内流体的速度、压力、密度等参数随时间和位置呈周期性的变化便是流体脉动。脉动流体在管系中遇到管件、阀门等原件，便会产生随时间变化的激振力，受该激振力的作用，压缩机附属管系便产生一定的振动响应。事实证明，流体的压力脉动的幅度越大，管系的振动响应就越大，压力脉动的幅度可由压力不均匀度来衡量，其量化表达式为[1]：

(1)

式中：PMAX——压力最大值；

PMin——压力最小值；

﹠——压力不均匀度；

P0——压力平均值。

根据API618的标准，当管内流体压力在0.35MPa-20.7MPa时，压力不均匀度可按式(2)来表示[2]：

﹠=126.77/(pdf)1/2

(2)

式中:p——管内平均绝对压力，MPa；

d——管道内径，mm；

f——激振频率，Hz。

激振频率可由式(3)计算[2]：

f=nm/60；

(3)

式中 n——压缩机转速，r/min；

m——激发频率的阶次，单作用气缸时m=1，双作用气缸时m=2；

上述表达式明确了影响流体脉动的参数，为我们从根本上控制管系振动提供了理论依据，但是，管系受往复式压缩机吸排气特点和工艺流体参数的影响，完全避免流体脉动是不客观的。由于压力不均匀度迫使管系出现振动的倾向是真实存在的，因此，如何从管道设计的角度考虑有效控振是一项重要的工作。

1.2 管系共振

压缩机附属管系与其内部气柱所构成的系统具有一定的固有频率，当压缩机的激振力频率与该系统的固有频率接近时，便会产生共振，共振使管系产生较大的位移和应力，管系有疲劳破坏的倾向。管系固有频率是研究管系共振的一个重要参数，理论上可以通过下式计算[1]：

(4)

式中：λ撑型式系数，刚性支撑λ=3.74，铰接时λ=3.14；

E——弹性模量， N/c ；

J——截面惯性矩，c ；

m——管系质量，kg；

L——管系支撑长度。

工程实践表明，当压缩机的激振力频率处在0.8～1.2倍管系固有频率区间时，管系会产生共振，引起共振的激振力频率为低阶频率，共振状态下的管道长度为共振管长，共振管长为我们调整支架间距提供了理论保障，可表示如下[3]：

与一阶激发频率相对应的共振管长为：

(5)

与二阶激发频率相对应的共振管长为：

(6)

式中:c——管道中流体的声速，m/s；

f——激振频率。

压缩机附属管系布置完成后，可以简单修改的参数是管系支撑长度，适当降低该值，管系的固有频率显著提高，对避开管系机械共振有着积极的意义。在调整管系支撑长度的同时，要注意该值要避开低阶激发频率对应的共振管长。

1.3 制造安装问题造成的振动

理论上讲，制造安装误差所产生的诱发振动的因素是可以避免的，如果制造商对压缩机的运动机构动平衡设计合理，其所产生的机组及管系振动都会处在合理的区间。API617对压缩机的底板和垫板安装有明确的规定，按标准安装就可以有效地降低管系的振动。

2 管系控振的方法

针对上述管系产生振动的原因，可以从压缩机制造商、管道设计、施工3个方面共同努力，把压缩机附属管系的振动控制在最合理的范围之内。

2.1 制造商的控振方法

从压缩机本体结构出发，以便从根源上控制流体脉动，是压缩机制造商的主要工作。目前主要有两种控振方法，其一，是安装缓冲罐，该方法利用对能量的储存作用，对进排气压力波进行限制，从而起到降低压力脉动的作用，此罐安装位置都靠近气缸，减振效果明显。缓冲罐的大小，对减振效果起重要作用，根据API618的规定，缓冲罐容积的最小值可按下式计算[4]。

(7)

(8)

式中：Vs——需要的最小吸入缓冲罐容积， m3；

Vd——需要的最小排出缓冲罐容积， m3；

PD：与入口缓冲罐相连的气缸每转从缓冲罐吸取的净容积，m3；

K——气体绝热指数；

Ts——入口绝对温度，K；

M——气体分子量；

R——气缸的级间压缩比。

其二，是在压缩机组进出口缓冲罐处增加孔板来降低脉动压力不均匀度，但孔板只能安装在缓冲罐的进出口法兰处，否则无法起到消振作用。

孔板虽然降低流体的压力不均匀度，但同时也增加了流体的压力降。通常情况下，孔板的孔径比为(孔板内径/管道内径)05～0.43，孔板内径边缘处必须保留锐利棱角，不得倒角，否则效果会降低。孔板厚度一般为3～5mm，太厚会增加局部阻力损失，并且产生噪音。孔板的材料与管道材料相同，型式要与缓冲罐法兰密封面型式相匹配。缓冲罐和孔板是互为一体的减振元件，合理的利用他们，对压缩机系统减振有着积极的意义。

2.2 管道设计的控振方法

从前面管系产生振动的原因中可以看出，压缩机的激振力频率是一个重要的参数，当装置运行后，该值已经无法改变，但改变管系固有频率及气柱共振管长等参数，对于管道设计专业来讲，在一定程度上是可以做到的。目前，管道设计专业把压缩机附属管系的布置及支撑形式提供给制造商，由其计算工作状态下管系的振动情况，并可能做出相应的调整。但管道设计专业在进行委托计算之前应该充分考虑以下几个方面，以便更好地控振。

(1)由于压缩机的本体结构及其基础的高度已经由制造商确定，管道设计时应该考虑管道的布置尽量沿地面布置，以降低管系重心及方便设置独立的抗振支架。

(2)在满足管系柔性的同时，管道布置尽量短，减少三通、弯头等的使用，以增加管系的刚度及固有频率，进而减缓激振反力对管道的影响。

(3)压缩机进出口的小口径分支管，在分支的适当位置也需要设计生根在地面上的支架，以预防振动传递及分支管根部的疲劳破坏。

(4)由于受压缩机厂房空间及压缩机安装位置的限制，依靠改变管道布置方式来改变管系的固有频率的方法并不多，目前主要考虑利用调整支架的位置来实现，以避开共振区。

(5)压缩机厂房内布置的进出口管线，可以使用大曲率半径弯头(R=3D或R=6D),以此来减少激振反力。

(6)一开一备的压缩机进出口管线合并时，可以使用开口焊加补强板的形式，以减少局部阻力。

(7)无论是流体脉动还是共振，合理设置支架都是一个简洁的控振方法，目前支架都采用管墩与防振管卡结合的形式，但是支架的位置和间距需要更加准确地把握，它们对控振尤为重要。

3 结语

往复式压缩机的管系振动是压缩机管道设计的核心问题，安装缓冲罐、孔板对控振起到了一定的积极作用，在此基础上，管道设计专业要把管道柔性和振动结合起来，力求管道布置简单，支架设置合理，通过理论分析和反复调整，把管系振动控制在合理的区间。

[1] 刘允刚，段礼祥，么子云．往复式压缩机管线振动原因识别方法综述[J]．压缩机技术，2010(3)：7-11．

[2] 张 京，胡跃华．往复式压缩机管道的消振处理措施[J]．配管技术，2007,24(4)：18-20．

[3] 梁 瑞，周 涛，曹 鑫．往复式压缩机管线振动数值分析[J]．流体机械，2012,40(6)：24-27．

[4] 何 浩. 大型往复式压缩机的配管设计[J]．石油化工设计，2006,23(3)17-19.

(本文文献格式：刘春雷.往复式压缩机管系控振方法研究[J].山东化工，2016，45(12)：126-127，132.)

The Research on Control Vibration Methods For Piping Of Reciprocating Compressor

Liu Chunlei

(Luoyang Engineering Company of Limited-Sinopec，Luoyang 471003,China)

The subsidiary piping vibration about reciprocating compressor is one of the common problems for petrochemical enterprises, how to control it effectively, has great significance for safety production of enterprises. This paper describes the causes of vibration about the piping from theory firstly, then considers the factors from piping design、manufacture、construction and other aspects, an gives an effective treatment measures about eliminate vibration.

reciprocating compressor；piping；vibration；piping design

2016-04-26

刘春雷(1981—)，河南洛阳人，工程师，研究生，从事管道设计工作。

TQ051.21

A

1008-021X(2016)12-0126-02