振动对往复式压缩机出口管系动力特性影响分析

马志鹏，任金平，夏 莉，于春柳

(1.广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528000；2.陇东学院化学化工学院，甘肃 庆阳 745000)

振动对往复式压缩机出口管系动力特性影响分析

马志鹏1，任金平2，夏 莉1，于春柳2

(1.广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528000；2.陇东学院化学化工学院，甘肃 庆阳 745000)

往复式压缩机出口管系振动会引发重大安全事故，影响压缩机等设备的正常运行，给企业造成巨大的经济损失。往复式压缩机和输送管系的振动均能传递到出口管系上，引发出口管系振动，因此对往复式压缩机和输送管系振动原因进行分析，在此基础上运用ANSYS软件对某化工厂往复式压缩机出口管系进行模态分析。分析结果显示：整段出口管系的位移变形量均是以最大位移变形量为中心向三端逐渐减小，低模态阶数时最大位移变形发生在压缩机出口法兰和管道连接处附近，高模态阶数时最大位移变形发生的位置逐渐远离压缩机出口法兰和管道连接处；随着模态阶数的增加，最大位移变形发生的部位逐渐扩大，四阶模态振型时最大位移变形部位达到最大，证明管道固有频率在激发的同时管道也在进行固有振动，此时固有频率和振动频率相近或相等。该结果对往复式压缩机出口管系消振改造措施的研究具有十分重要的指导意义。

往复式压缩机；出口管系；振动；模态分析

1 引言

往复式压缩机是一种容积式压缩机，依靠曲轴带动连杆，连杆带动活塞，活塞在气缸中作往复运动来压缩吸入气缸的气体，从而获得所需高压气体。具有热效率高、单位耗能少，材料要求低、造价低廉，装置系统简单，设计、生产、制造技术成熟等优点，被广泛应用于石油、化工、冶金、制药、动力等工业领域。实际工作过程中往复式压缩机出口管系通常会产生振动，强烈的振动往往会引起管道焊缝疲劳破坏，使管道与其他设备的连接处松动甚至脱落，轻则有可能发生泄露，重则引发爆炸、火灾等重大安全事故；影响往复式压缩机进排气阀正常开闭，产生过大的机械噪声，污染环境；破坏压缩机的基础，使隔热隔振部件产生龟裂，导致压缩机效率下降，引起仪器仪表失控等。严重影响压缩机等设备的正常运行，给企业造成巨大的经济损失。据行业相关统计资料分析表明，全球石油化工行业过去每年发生的100起特大财产损毁和人员伤亡事故中，因管道振动引起的事故占19%[1]；即使在工业发展水平先进的发达国家，每年由于管道振动所带来的经济损失也十分巨大，例如美国在上世纪九十年代因管道振动而造成的损失每年达100亿美元之多。另据不完全统计，当时全世界每年因管道振动而造成的经济损失高达数百亿美元，我国因管道振动造成的人员伤亡和巨大财产损失事故也常有发生。因此，本文对往复式压缩机和输送管系振动原因进行分析，在此基础上采用Proe软件对某化工厂往复式压缩机出口管系建立三维计算模型，最后运用ANSYS软件对出口管系进行模态分析，期望得到对往复式压缩机出口管系消振改造措施的研究具有重要指导意义的研究结果。

2 出口管系振动原因分析

往复式压缩机在运行过程中会产生旋转惯性力和力矩、复惯性力和力矩、摩擦力和力矩，而这些力和力矩正是引发往复式压缩机振动的主要振源。输送管系基础设计有问题、气流脉动、气柱共振是引发输送管系振动的主要原因。而往复式压缩机和输送管系的振动均能传递到出口管系上，引发往复式压缩机出口管系产生振动。

2.1 往复式压缩机振动分析

往复式压缩机曲轴重心不在轴中心，电机带动曲轴做旋转运动时必然会产生旋转惯性力和惯性力矩，该旋转惯性力及力矩是影响往复式压缩机振动的主要原因[2]，会引发往复式压缩机壳体周期性的振动，而且会使曲轴长时间受扭转力的作用而提前发生损坏，缩短使用寿命[3]。往复式压缩机的连杆、十字头、活塞杆及活塞均做往复运动，难免会产生往复惯性力[4-5]，该力是运动机构对机壳作用的力，因此也就成了往复式压缩机振动的激振力，必然会引发振动，而且该力越大振动越剧烈。往复式压缩机作为动设备，在工作过程中运动机构较多，组成运动机构的各零件之间就会发生摩擦，产生摩擦力。在实际运行过程中这些运动零件之间有润滑油作用，但长时间的接触或较大的冲击会造成油膜破坏，使运动零件之间变成单纯的干摩擦，发生在运动件之间的摩擦力是变化的，有变化的力存在就会发生振动，因此摩擦力越大往复压缩机的振动也就越大[6]。除此之外，往复式压缩机周期性吸排气工作原理导致气缸内气体压力变化和气流冲击，引发往复式压缩机振动。

2.2 输送管系振动分析

输送管系设计阶段如果管道系统配管不合理，对管长、管径、容器的位置、管道支撑数量、支撑点之间距离以及气体温度等物理参数选取不合理，这都有可能影响避开共振区间。除此之外，缓冲罐可以减缓气流的速度，降低输送管系中气流的脉动，因此缓冲罐的结构设计和安装在管路的位置也影响输送管道的振动。往复式压缩机的工作原理决定了压缩机吸气、排气是间歇性的，因此输送管系内的气流压力、速度等物理参数随时间呈周期性变化，这种现象称为气流脉动。脉动的气流介质遇到弯头、变径管、阀门、接头盲板、等设备元件时就会产生随时间变化明显的激振力[7-8]，在此激振力作用下引发管道振动。输送管系内所容纳的气体可近似看做一段气柱，气柱跟其他振动物一样，具有一定的质量和弹性，可以压缩和膨胀，所以在一定激发力作用下会发生振动。气柱共振引发的往复式压缩机组输送管系振动分两种情况，一种是气流脉动时的激发频率与气柱系统本身固有频率相等或相近时发生气柱共振，引发输送管系发生振动；另一种是气流脉动时的激发频率与管道结构的固有频率一致造成共振，引起往复式压缩机输送管系振动。

3 出口管系有限元模型

3.1 出口管系几何参数及材料属性

以国内某化工厂往复式压缩机出口管系为研究对象，管道外径为426mm，壁厚为8mm，材料为Q345；往复式压缩机出口与管道的连接采用法兰连接，法兰的外径为610mm，厚度为44mm，材料也为Q345。材料Q345基本属性为：密度7850kg/m3，弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3。

3.2 有限元模型

图1 出口管系有限元模型

图2 出口管系网格图

不考虑其他附件的影响，对往复式压缩机出口管系进行简化，运用ANSYS 有限元软件，建立出口管系有限元模型，如图1所示。整个模型网格划分采用自适应网格划分方法，并控制网格大小。划分的网格如图2所示，单元总数8435个，节点数32652。三通处设置有支撑，因此在三通处施加竖直向上的位移约束，其他三端视为固定端。

4 出口管系模态分析

对有限元模型进行模态分析，计算后提取一阶、二阶、三阶、四阶、五阶、六阶模态振型图，如图3所示。

图3为出口管系模态振型图，从一阶模态振型图3(a)中可以看出管道最大位移变形发生在管道和压缩机出口法兰连接处，并且距离出口处越远位移变形越小；二阶模态振型图3(b)中显示管道最大位移变形仍发生在管道和压缩机出口法兰连接处，但是最大位移变形发生的部位比一阶模态振型图中大。三阶模态振型图3(c)、四阶模态振型图3(d)和六阶模态振型图3(f)中显示管道最大位移变形发生位置继续远离管道和压缩机出口法兰连接处，而整个出口管系位移的变形量均是以最大位移变形量为中心向三端逐渐减小。但是四阶模态振型图3(d)中显示最大位移发生部位达到最大值，这说明管道固有频率在激发的同时管道也在进行固有振动，而且此时两者固有频率值相近，可能达到共振。因此从图3中可以得出该往复式压缩机出口管系受振动影响位移变形的规律：整段出口管系的位移变形量均是以最大位移变形量为中心向三端逐渐减小；随着模态阶数的增加，出口管系最大位移变形发生的位置发生了变化，低模态阶数时最大位移变形发生在管道和压缩机出口法兰连接处附近，高模态阶数时最大位移变形发生的位置逐渐远离管道和压缩机出口法兰连接处，且最大位移变形发生的部位也在逐渐扩大，四阶模态振型时最大位移发生部位达到最大值，这说明管道固有频率在激发的同时管道也在进行振动，且存在管道固有频率和振动频率相近或相等的情况。

图3 出口管系模态振型图

5 结论

往复式压缩机在工作过程中出口管系通常会产生振动，强烈的振动会引发重大安全事故，严重影响压缩机等设备的正常运行，给企业造成巨大的经济损失。往复式压缩机在运行过程中产生旋转惯性力和力矩、往复惯性力和力矩、摩擦力和力矩，这些引发了往复式压缩机振动。而输送管系的振动主要是由于输送管系基础设计有问题、气流脉动、气柱共振引发的。往复式压缩机和输送管系的这两者振动均能传递到出口管系上，使往复式压缩机出口管系产生振动。对往复式压缩机出口管系进行简化，建立出口管系有限元模型，运用ANSYS软件进行模态分析。分析结果显示：整段出口管系的位移变形量均是以最大位移变形量为中心向三端逐渐减小，低模态阶数时最大位移变形发生在压缩机出口法兰和管道连接处附近，高模态阶数时最大位移变形发生的位置逐渐远离压缩机出口法兰和管道连接处；随着模态阶数的增加，最大位移变形发生的部位逐渐扩大，四阶模态振型时最大位移变形部位达到最大，证明管道固有频率在激发的同时管道也在进行固有振动，此时固有频率和振动频率相近或相等。该结果对往复式压缩机出口管系消振改造措施的研究具有十分重要的指导意义。

[1] 石 磊，王彤皓，孙 雷，等.基于ANSYS的往复压缩机管系振动分析[J].化工设备与管道，2010，47(1)：30-33.

[2] 姚利斌.小波分析在往复压缩机故障诊断中的研究应用[D].大连：大连理工大学，2006.

[3] 刘丕泉.曲轴断裂原因及预防[J].山东农机化，2014(5)：36-37.

[4] 俞玉和.往复式压缩机状态综合监控系统的研究[D].兰州：兰州理工大学，2010.

[5] 徐 军.15T2半无油活塞式空气压缩机设计和开发[D].南京：南京理工大学，2010.

[6] 魏会军，任丽萍.直流变频压缩机振动分析[J].价值工程，2010(15)：194.

[7] 牛战果.压缩机管道振动分析与防振措施[J].压缩机技术，2001(22)：21-22.

[8] 贺科峰，张政林，杜鹏翔.循环气压缩机管道振动原因分析及消振措施[J].压缩机技术，2001(3)：20-22.

(本文文献格式：马志鹏，任金平，夏 莉,等.振动对往复式压缩机出口管系动力特性影响分析[J].山东化工，2017，46(12)：144-146,150.)

Analysis the Influence of Vibration on the DynamicCharacteristics of Reciprocating Compressor Outlet Pipeline

MaZhipeng1,RenJingping2,XiaLi1,YuChunliu2

(1. Guangdong Special Equipment Inspection and Research Institute,Foshan 528000, China;2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Longdong University, Qingyang 74500，China)

The vibration of the outlet piping of reciprocating compressor can cause a serious safety accident, which affects the normal operation of the compressor and other equipment, and causes huge economic losses to the enterprise. Reciprocating compressor and piping vibration can be transferred to the outlet pipeline, causing vibration of the outlet piping;therefore, giving analysis of cause for reciprocating compressor and pipeline. And on this base, usage ANSYS for modal analysis on a chemical plant reciprocating compressor outlet pipeline. The analysis results show that: the displacement deformation of the whole outlet pipe system centered on the maximum displacement and gradually reduced to the three terminal. Low modal order, the maximum displacement deformation occurs in the vicinity of the pipeline and outlet flange; otherwise, high modal order, the maximum displacement deformation gradually detached from the vicinity of the pipeline and outlet flange. And with the increase of the modal order, the maximum displacement is reached when the four mode vibration mode reaches the maximum, and it is proved that the natural frequency of the pipeline causes as the natural vibration of the pipeline is carried out. At this point, the natural frequency is similar or equal to the vibration frequency. The results have a great significance to the research on the vibration suppression of the outlet piping of reciprocating compressor.

reciprocating compressor; outlet pipeline; vibration; modal analysis

2017-04-27

马志鹏(1987—)，硕士，助理工程师，主要从事低温储运设备研究与检验工作。

TH45

A

1008-021X(2017)12-0144-03