往复式压缩机管系振动与控制措施探讨

冯丞科，王明星，弋山，侯磊

（1.中石油西南油气田分公司重庆气矿，重庆 400021；2.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川 成都 610100）

往复式压缩机管系振动的控制问题受到了社会各界的关注，一方面是因为往复式压缩机对我国工业生产与发展有着十分重要的影响，另一方面是因为往复式压缩机的发展空间很大，如果管系振动的控制问题能够解决，那么往复式压缩机将会迎来一个新的发展机遇。本文对往复式压缩机的关系振动的产生进行了探究，结合往复式压缩机的运行原理，找出了能够将往复式压缩机管系振动控制在一定范围内的解决措施，希望能够为往复式压缩机的减振工作提供参考，从而确保往复式压缩机能够安全高效地应用到工业中。

1 往复式压缩机管系振动的产生原因

往复式压缩机主要依靠活塞的运动完成压缩工作，在活塞运动的周期性过程中管内的气体会随着活塞的运动排出和进入管道，由于气体的吸入和排出，管道会产生一定程度上的振动，再加上活塞的运动，最终导致管道呈现周期性的振动趋势，并且随着活塞运动逐渐加快，在管道口边缘的气体由于边缘效应表现出流动的状态，最终导致管道内的气体流动情况呈现周期性变化的趋势。随着气流脉动的产生，气流脉动在经过弯头、分支管、阀门以及盲板等原件时由于碰撞将产生周期性的激振，在这种激振作用力的作用下，管系会产生周期性的振动，这种振动会随着激振作用力的增大而增强，当管系振动达到一定程度时就会影响到阀门的正常使用以及其他部分的正常运行，导致往复式压缩机的工作效率降低，严重的还会导致往复式压缩机产生明显的机械振动，加大了某些元件的磨损程度，甚至产生气体泄漏最终引发爆炸等。除此以外，当管内气体随着活塞的运动逐渐形成气柱时，气柱与管系也会产生共振作用，因为气柱本身根据特性会有一个固有频率，该频率与外界环境因素无关，只由气柱本身的组成和其他的自身性质决定，在气柱与管系共同组成的系统中，气柱的固有频率并不能起到关键作用，其中能和管系形成共振的是气柱的激发频率，该频率主要由活塞的运动情况决定，与气柱的自身情况关系不大。管系的振动情况便主要由气柱的激发频率和管系的振动频率共同决定，我们在研究管系振动的控制措施时需要将气柱的共振考虑进去，从而最大程度上减小气柱对管系振动控制工作带来的影响。少数情况中还会出现往复式压缩机自身的机械振动与管系振动产生共振的情况，这种情况造成的后果比较严重，它不仅会导致往复式压缩机的平衡性能降低，还会增加各个部分的摩擦，最终，影响到往复式压缩机的正常工作。由此可见，控制好往复式压缩机的管系振动是十分重要的。我们可以通过控制管系振动的范围达到控制往复式压缩机管系振动的目的，一方面，是因为管系振动的范围可以通过减降低共振的可能性实现，操作起来比较方便；另一方面，是因为将管系振动控制在一定的范围内可以有效延长往复式压缩机的使用年限，降低了往复式压缩机消耗的成本。

2 往复式压缩机管系振动分析中使用的控制标准

由于往复式压缩机管系振动的研究比较普遍，多数的研究都是采取的以下标准：首先是压力脉冲的范围不可以超过规定的标准（标准为美国石油学会API618 指定的关于脉冲控制要求），其次，就是往复式压缩机的机械振幅不可以超过规定的标准（标准为美国压缩机技术协会在机械振幅范围方面提出的要求）该标准与压力脉冲的规定标准是一致的，经过计算可以找出二者之间的关系。下面对往复式压缩机管系振动的分析标准进行详细介绍：首先是压力脉冲的相关计算，当压力处于某固定范围内时，例如，0.35 ～20.7MPa 时，压力的不均匀度按照固定的计算公式完成计算，其公式为X=126.77/（Pdf）^（1/2），其中X代表我们要求的压力不均匀度，主要用来衡量关系压力的分布情况；规定用P 代表管系内部的压力平均值，又叫作管内绝对平均压力，单位为MPa；公式中的d 代表的是管系内部的直径，单位为mm；f 则代表的是管系振动的脉冲频率，单位为Hz。为了计算管系振动的脉冲频率，我们可以选用以下计算公式：f=nm/60，公式中的f 表示的是我们要求的管系振动脉冲频率，单位为Hz，n 代表的是往复式压缩机中转轮的转动速度，单位为r/min，而m 则主要表示气柱的激发频率的阶次。为了计算方便，我们还需要根据美国石油协会API618 的规定计算出缓冲罐的内部体积，主要用到的公式为：V1=9.27V(KT/M)^(1/2)，V2=V1/R^(1/K)，其中V1 主要表示的是往复式压缩机管系入口的缓冲罐的最小容积，单位为m³；V2 则主要表示往复式压缩机管系出口的缓冲罐的最小容积，单位与V1 相同，都是m³；K 表示的是缓冲罐的绝热指数；而T 则表示的是管系吸入侧的绝对温度，其单位为K，由此可见，管系吸入侧的绝对温度与缓冲罐的绝热指数有关；公式中的M 代表的是管内气体的气体分子量；以V 表示与缓冲罐相连的气缸每转吸或者排出的气体总净容积，其单位为m³；公式中的R 代表的是气缸的级压比。用上面的公式就可以将往复式压缩机的管系振动分析的控制标准计算出来，从而将管系振动控制在正常使用的范围内，为往复式压缩机的高效运行提供了依据。

3 往复式压缩机管系振动的控制措施

由于往复式压缩机管系振动的控制主要分两部分完成，一部分就是关于管道压力脉冲的控制，另一部分就是关于管道振动的控制，如果我们能够实现对这两部分的有效控制，我们就可以有效地延长往复式压缩机的使用寿命，切实提高往复式压缩机的使用效率。下面着重对这两部分的控制措施进行介绍。

3.1 关于管道压力脉冲的控制采取的相关措施

因为往复式压缩机的工作主要依靠周期性的吸入和排出气体实现的，在往复式压缩机工作的过程中，难免会形成脉动状态的气体，这种脉动状态的气体是无法完全消除的，只能依靠相应的控制措施进行削弱，从而将管系振动控制在规定范围内。为了实现上述目标，我们需要先将管内产生的气柱的固有频率计算出来，从而确保气柱的固有频率与活塞产生的激发频率相差较大，避免气柱由于固有频率与激发频率相近而产生共振。我们可以通过以下几种方式改变气柱的固有频率，例如，适当调整缓冲罐的大小与位置、合理调整管道的内径与长短、调节管系的分支个数与位置等，除此以外，我们也可以通过调整管段的端点条件、孔板的安装位置以及气体介质的相关性质等实现对气柱固有频率的调整，最终达到将气柱的固有频率与激发频率保持较大的差距的目标。除了需要注意避免气柱产生共振外，我们还需要合理设计缓冲罐的安装位置，避免因为缓冲罐安装位置不对而产生的管系振动。在选择缓冲罐的安装位置时，我们需要注意让缓冲罐和气缸尽可能靠近一些，一方面是因为缓冲罐的位置靠近气缸能够加大气柱固有频率与激发频率之间的差距，在一定程度上起到了消振的作用，另一方面是因为缓冲罐具有调整气体流动速度的功能，能够削弱气柱对管系的冲击。在控制管道压力脉冲的过程中，我们还需要合理增设消振孔板，从而避免压力驻波的产生，进而降低管系的压力不均匀度，实现消除往复式压缩机的机械振动的目的。总而言之，通过上述几种方式控制管道压力脉冲能够有效延长往复式压缩机的使用年限，提高往复式压缩机的工作效率，为我国的工业生产效率的提高奠定基础。

3.2 关于管道振动的控制采取的相关措施

管系振动的控制措施与管道压力脉冲的控制措施相比而言是比较简单，在控制管道振动的过程中我们需要将管系的气柱与活塞的激发频率以及管系的固有频率共同构成的管系机械固有频率计算出来，通常情况下，低压管道的机械固有频率不会超过24Hz，而28Hz 及以上的频率规定为高压管道，除此以外，小于等于8MPa 的也可以划分为低压管道，反之，则为高压管道。在管道机械固有频率计算完成后，我们需要适当减少管系的转弯，确保管道的柔性符合往复式压缩机的标准要求，减少转弯还能够有效降低往复式压缩机管系振动的机械固有频率，同时避免了激振力的增加。除此以外，我们还可以通过在文架处安装防振管卡的方式降低管道振动的频率，同时需要在管卡与管卡之间增加石棉橡胶板来确保管卡的正常使用，避免管卡与管卡互相影响。对于管道的安装来说，我们应该将管道安装的尽量与地面平行，为支架的安装提供方便，因为当支架不合理时很容易导致管道的应用出现问题。最后，为了保持机组的平衡，我们需要尽可能降低转动对管系振动的影响，确保进出口能够承受缓冲器的作用力，同时在阀门处安装合适的支架，确保管系振动不会影响到阀门的正常使用。为了管系振动能够得到良好的控制，我们需要认真完成上述工作，为扩展往复式压缩机的应用领域提供基础。

4 结语

往复式压缩机对于很多领域都有着十分重要的影响，但是管系振动的问题限制了往复式压缩机的应用和发展。为了解决上述问题，将往复式压缩机引入更多的领域，我们需要做好往复式压缩机管系振动的控制工作，即将往复式压缩机的管系振动频率降低到正常范围内，从而确保往复式压缩机的能够正常使用，从而努力为社会的发展做出更多的贡献。