往复压缩机管道振动和防治

王铁军

（广东石化公司，广东揭阳 515200）

1 引言

往复压缩机是炼油与化工生产中的重要设备。往复压缩机管道振动是管道设计和机器运行中经常遇到的问题，对安全生产是一个很大的威胁，它能够引起：管道疲劳损伤、保温破损、附属部件的损坏及误操作、振动噪声对人的影响等。强烈的管道振动会造成管道泄漏，甚至引起爆炸。因此，研究并解决管道振动问题是十分必要的。

2 管道振动原因

2.1 气流压力脉动

这是往复压缩机特性决定的。往复压缩机吸排气是间断、交替进行，管道内气流压力、流量也是波动的，这是致使往复机产生管线振动根本原因。

2.2 气柱共振

往复压缩机管系内气体可以看做气柱。气柱在压缩、膨胀时会产生激振力，从而引发管系振动并向远方传播。气柱本身有自己的一系列固有频率，当压缩机振动频率与气柱共振频率相近时产生共振。发生共振一般在

fx=（0.8～1.2）fn范围内

式中 fx——气流主谐波频率

fn——气柱固有频率

2.3 管道机械共振

压缩机管道的振动除气柱共振外，还有因机械原因，如不平衡惯性力、安装间隙不合格造成振动，一级气体在变换方向、流速等情况下引起振动。

3 管道振动治理

在设计管路减震装置时，需要考虑压缩机各种工况和替代介质，如氢气工况、氮气工况，并按照长期运行介质进行优化。管路脉动抑制的设计方法有：经验确定脉动抑制装置尺寸、声学模拟和管路约束力分析、声学模拟和管路约束力分析加力学分析。声学模拟和约束力分析及力学分析一般需要专用软件完成。炼化企业设备人员对往复式压缩机管线振动一般采用经验确定脉动抑制装置尺寸，按照这一方法需满足以下原则：

（1）压缩机气缸法兰最大许用压力脉动

压缩机气缸法兰脉动值用平均绝对管线压力的百分比表示，一般取7%或下式计算中较小者范围内。

pef=3R%

式中 pef——气缸法兰处最大许用未过过滤峰-峰脉动值，用平均绝对管线的压力百分比表示

R——级压力比

（2）压力脉动抑制装置管线及其后管路的最大许用脉动值限定，应在如下公式以内

p1=4.1/（pL）1/3%

式中 p1——最大许用峰-峰脉动值，用平均管线绝对压力百分比表示

pL——管线平均绝对压力，bar

（3）最大声学许用激振力

图1 液压阻尼器结构示意图

SFK=Keff×V

式中 SFK——相对于静态结构刚度的非共振峰-峰激振力指导值，N

Keff——激振力作用处沿管路方向或脉动抑制装置轴向的有效静态刚度，M/mm

V——设计振动峰-峰指导值，mm

（4）管路系统最大许用非共振声学激振力

SFpmax=45NPS

式中 SFpmax——支撑强度最大管路非共振激振力峰-峰指导值，N

NPS——管路的公称尺寸，mm基于管路脉动和衰减相互影响分析来设计管路，使管路振动符合API618要求，避免管路、设备损坏。管道振动治理一般从以下方面着手。

（1）消减管道气体压力脉动，主要消减气流压力不均，降低脉冲

具体措施主要有以下几种：

采用合理的吸排气顺序、装设缓冲器、阻气管、声学滤波器、节流系统（孔板）、配置合适的集气管、避免管道气流方向和流速的突变等方案。

(2)管道机械共振的防治措施

（a）改变支撑条件

改变管系固有频率，使其远离激振频率，如增加支撑点、个别部位加固或在管路上增加负重等办法。支撑刚度大小是影响管道固有频率的重要因素，支撑刚度越高，管系的固有频率植越高，所以支撑结构应做成刚度大而质量小，管道和支撑间力求应用刚性连接。

（b）应用动力减振器减振

在管道上增设动力减振器，吸收管道振动能量，使振动器振动而管系不振。

（3）阻尼器减振（图1）

管道系统可能由于内部原因，如流体动力的激振，或外部原因，如与管道连接的设备的激振，而激发振动。阻尼器是一种粘滞管道装置，主要作用就是吸收引起振动的能量，把各种振动产生的能量吸收入阻尼器，来抑制振动，避免管道损坏。一般应用连续生产装置，管道加固等措施不能将振幅降至安全值，在不影响生产的情况下使用的手段。使用阻尼器能使机组管道振动大幅度下降，保证了装置安全运行。

4 设计院、往复机制造厂家对往复机管道的设计

压缩机出入口管道的设计，主要是石化设计院与压缩机制造厂合作完成的。大多是由设计院的管道设计师进行设计，将设计好的管道图转给压缩机的制造厂家，压缩机的制造厂家再进行管道系统脉动和振动分析，厂家把意见转给设计院管道设计师，最终由设计院的管道设计师确定管道系统图纸（包括管道尺寸、管道布置、支吊架等）。也有的设计院直接定好管道出入口阀门位置，内部整个管道系统都由压缩机制造厂家确定，压缩机级间管道（包括缓冲罐、分液罐、孔板、冷却器等）的设计都是由压缩机制造厂家自己设计确定。所以压缩机制造厂家在压缩机管路设计方面都起到关键作用。在选购设备时一定要考察压缩机制造厂管路有限元分析能力。

各压缩机厂家在确定压缩机管路方面具体情况如下：

GE公司和德莱赛兰公司，在管道系统脉动和振动分析与控制上都具有一定的能力和经验。他们都有自己开发的计算机程序，专门研究处理管道的声学脉动和机械振动问题，能够对气缸/缓冲罐组件进行有限元分析，来为“气缸－管系分析”提供输入参数。都有自己的振动分析、管系设计团队，能够对整个机组，包括初级增压压缩机、超高压压缩机、反应器、容器和全部内部连接管道进行分析。从声学和振动的观点，与其他部门的紧密合作，一起设计出压缩机管系图。

沈鼓采用引进德国的DIGMO气流脉动声学分析软件对管线进行脉动计算，使用CAESARⅡ管道应力分析软件对工艺管线进行综合应力分析。在静应力分析基础之上，选用模态（Modal）和谐波分析（Harmonic）来判断管道机械部分的共振及动态响应下的振幅和疲劳状态，在此基础上进行管系设计。

无锡压缩机股份公司自己不做该项工作，委托上海科元管道工程技术发展公司管道振动分析计算和管系设计工作。

从以上各厂家的情况看，各个厂家都很重视压缩机管路的设计工作，出厂时管路设计也都进行了防振考虑。但也有机组、管线已经处于安装阶段，管路分析报告还未做完的情况，所以在采购时应提前加以约束。

5 对各大炼厂避免往复机振动建议

各炼化公司设备人员要加强学习，了解往复式压缩机管道振动原理及解决方案。在设计管理阶段，与设计院管道设计师一起研究、审核压缩机管道图纸，首先避免出现避免管道中气流方向和流速的突变，检查管道支撑条件能否达到要求，集气管尺寸（如果有）是否合适，是否采用合理的吸排气顺序等，其次检查缓冲罐、声学滤波器（如果有）、孔板的计算过程是否正确，认真检查该厂家通过管线脉动、振动分析软件的分析结论是否符合要求，尽全力避免振动发生。如果同时购买两个以上厂家的产品，在条件允许的情况下，可以用通过各自软件系统互相验证其管系的科学性。最后进行综合研究、分析管线振动的可能性，避免振动发生。

一旦生产出现管线振动问题，要立即与设计院、厂家一起认真分析，查找问题出现原因：工艺原因、机组原因、管系原因，针对故障原因，采取相应解决方案。