往复式压缩机管道防振设计研究

曹姗

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510000)

0 引言

往复式压缩机是石油化工装置中的关键设备，通过气缸的活塞运动为介质增压。压缩机本身投资高，机组连接的管道相对复杂、管径较大，且管系容易发生振动，振动严重时会影响整个装置的安全稳定运行，因此压缩机的管道设计是整个装置管道设计的核心内容。本文结合某新建装置，简要论述了往复式压缩机管道设计的要点，包括压缩机厂房的设置、附属设备的平面布置、管道防振设计、振动分析及管线改进等。

1 压缩机厂房的设置

压缩机厂房主要的设计要点包括厂房型式、大小和高度等。

该装置位于东部沿海地区，压缩机内工艺介质为氢气。为防止泄漏的可燃气体积聚，厂房采用半敞开式结构，楼板采用钢格板，以便于通风。厂房内共布置4台往复式压缩机，正常操作工况下为3开1备。根据压缩机的型式和尺寸，综合考虑安装、操作、检修所需空间等因素，确定厂房为双层布置，大小为24×78 m，二层平台高度为4.5 m。压缩机本体及油箱布置在二层平台上，附属设备及水箱布置在地面，厂房内设置一个防爆桥式吊车。

压缩机厂房的高度是根据吊车型式、设备所需最低起吊高度等因素确定。最低起吊高度为被布置设备的最高高度、吊起时确保越过障碍物的最小富余高度、被吊最大设备的高度与吊缆长度的总和。经过计算得到厂房内吊车轨顶高度为20 m。

2 压缩机附属设备的平面布置

本装置的4台压缩机共用一个入口分液罐，因此考虑将其放置在靠近厂房外侧，与其他容器集中布置，便于设置平台。

本装置压缩机为二级压缩，附属设备包括级间分离器、级间冷却器、润滑油站和水站等。常见的布置方式有两种：一种是将级间分离器和级间冷却器布置在压缩机厂房前的管桥下方或外侧；另一种是按照工艺流程将各附属设备靠近压缩机布置在厂房内。

第一种布置方式的优点是机组及管道上阀门等有更大的操作和检修空间；缺点是级间分离器离压缩机较远，管道需要从管桥上架空穿过或沿地面敷设，前者不利于管道防振，后者会影响管桥下方的通行空间，一般在厂房内空间紧张的情况下采用。

第二种布置方式的优势在于设备及管道更加紧凑，有利于节省空间和管道长度，但相应增加了后期管道规划的难度。对比两种方案后，考虑采用第二种布置方式，由此得到的压缩机厂房设备平面布置如图1所示。A/B机和C/D机中心距为18 m，B/C机中心距为21.5 m，每两台压缩机共用一处检修区域，4台压缩机共用一处吊装孔。

图1 压缩机厂房设备平面布置图

3 往复式压缩机管道防振设计

往复式压缩机通过气缸内活塞的往复运动，使缸内的容积产生周期性的变化，从而将气体进行增压并运送至后续设备中，机组本体在正常工作情况下为振动状态，因此与压缩机连接的进出口管道就会不可避免地产生振动。若振动幅度过大，会造成管道疲劳破坏、管道上仪表件松动破坏、法兰连接处密封失效等问题。

从而可能引起介质泄漏，出现巨大安全隐患，影响装置的平稳运行，甚至会造成火灾爆炸等重大事故。因此如何减小管系振动是往复式压缩机管道设计的主要任务。

3.1 管道振动原因

引起压缩机管道系统振动的原因主要有[1-2]：

(1)压缩机本体结构设计不合理，如机身的脚螺栓松动、气缸支撑不良等，导致各部件的作用力与力矩等处于不平衡状态，从而产生振动，并将振动传递到管道上；

(2)管道系统内所容纳的气体(即气柱)具有一定的质量，可以进行压缩也会发生膨胀，它有自己一系列的固有频率。在压缩机吸排气过程的激发下，会形成振动，当气柱固有频率落在激发频率的共振区内，就会产生气柱共振；

(3)输送气流的管道本身也是一个弹性系统，当气流在气缸间歇性吸排气作用下产生脉动时，由于压力的脉动变化，在经过弯头、阀门、异径管等这些管道上的拐弯处或截面变化处就会有周期性的激振力作用。在激振力作用下，管道就会发生振动。当管系机械固有频率落在激发频率的共振区或气柱固有频率的共振区时，就会产生管路机械共振。

3.2 管道减振措施

分析上述管道振动的原因，为减小管道振动，在管道设计过程中要考虑减小管道内的气流脉动和增加管系的固有频率。

其中，气流脉动的大小可以用压力不均匀度来表示：

式中：δ为压力不均匀度(%)；Pmax为管道内最高峰值压力(绝压)(MPa)；Pmin为管道内最低峰值压力(绝压)(MPa)；P为管道内的平均压力(绝压)(MPa)。

当压力不均匀度越大时，振动频率就越高，管道产生振动的可能性也越大。工程上一般将压力不均匀度控制在4%～6%。

3.2.1 合理设计缓冲器容积和位置

缓冲器是一种有效减小气流脉动的衰减装置，如同一个柔性弹簧，可以将部分压力脉动吸收，从而减小进入后续管道内的压力脉动值。选择合适的缓冲器容积和位置有助于减小管系振动。

缓冲器容积一般采用美国石油学会(API)的规定，最小容积应是活塞行程容积的10倍以上且不应小于0.028 m3。

当缓冲器与气缸间的管道过长时，易使管系落入气流脉动的共振区，导致管线振动，有时还会增加压缩机气缸体的振动。

对于上进气下排气的压缩机，入口缓冲器应布置在气缸上方并尽量靠近气缸，出口缓冲器应布置在气缸的正下方并尽量靠近气缸。

3.2.2 增设孔板

在管道适当位置增加孔板，可将管道内的压力驻波变为行波，使管道尾端不再具有反射条件，有效降低管道内的压力不均匀度，从而减小气流脉动和管道振动。孔板的尺寸和安装位置是影响孔板作用的两个主要因素。

孔板的尺寸根据开口比(孔板内径与管道内径的比例)的取值进行确定，开口比一般取0.43～0.50，对于低速气体可以取接近0.50，对高速气体可以取接近0.43。孔板内径边缘处需保留锐角，否则减振效果会降低。孔板厚度不宜太厚，一般取3～5 mm，否则不仅增加局部阻力损失，同时还会产生噪音。

孔板安装的位置不同，对压力不均匀度的影响较大，一般安装在缓冲器出口和分离器入口，使之形成一定的压力降，以提高缓冲效果。需要指出的是，由于孔板容易造成局部阻力损失，对工艺条件产生影响，因此一般在不考虑加装孔板的假设下计算缓冲器容积，当计算得到的缓冲器容积过大而无法制造安装时，再考虑加装孔板。

3.2.3 合理设计管道结构

(1)尽量减少弯头数量

管道转弯处示意图如图2所示，d为管道直径，α为弯头转角，管道内气体脉动压力为Δp，则弯头处的受到的激振力F1为[3]：

图2 管道弯头处受力示意图

由公式(2)和(3)可知，管道内激振力大小与管内气体脉动压力Δp和弯头转角α有关。当Δp为定值，α=0°(即直管)时F1最小，α=90°(即90°弯头)时F1最大。

若弯头过多，则会加剧管系的振动。因此在布置压缩机管道时，在满足管道柔性分析的前提下应合理设计管道结构，做到管道短而直，且尽量减少弯头数量，条件允许的情况下考虑优先采用长半径弯头或45°弯头。

(2)适当增加管径

管径对压力不均匀度也有影响，管径越大，管道端口接收到的速度激发就越小。因此增加管径能有效地降低压力不均匀度，从而减小管系振动。

(3)管道尽量沿地敷设或降低敷设高度

对于振动管道，一般将管道沿地敷设，并将管道支架生根于混凝土管墩，以便于吸收管道振动。当管道敷设高度过高，则需要增加管墩高度或者将支架生根于钢结构上，两种做法都不利于增加管系的稳定性。对于有阀门的管道，由于阀门自重改变了管系的荷载平衡，容易发生振动，因此宜将阀门沿地敷设，这样既有利于管道防振，又便于阀门操作、巡检、维修。管道宜布置成“步步高”或“步步低”形式，当不能避免管道低点时，应增设低点排液设施。

3.2.4 合理设置管道支架

为防止发生共振，在管道设计时应使管系固有频率避开机组激振频率和气柱固有频率。对于复杂的压缩机管系，管道的固有频率分布密集，很难完全避开所有共振区。由于低阶共振振幅较大、高阶共振振幅较小，因此一般尽量保证管系固有频率的前三阶与机组激振频率和气柱固有频率的前三阶错开。

为避免产生低阶共振，通常增大管系的固有频率。当管道支架的刚度越大时，管系的刚度就越大，管系的固有频率也越大。因此在设置管道防振支架时，应尽量增大支架的刚度。通常采用生根于坚固的混凝土管墩上的防振管卡，且管墩需避开压缩机及其附属设备的基础，以防受到压缩机振动的影响。防振管卡与管道之间衬有无石棉橡胶垫，可以保证管道与管卡充分接触，不出现间隙，同时考虑管道可能产生的热胀位移，管卡上采用椭圆形螺栓孔。

在管道走向确定的情况下，增加支架数量和减小支架间距有助于增大管系的刚度。因此通常在弯头、异径管等激振力大的管件附近，以及阀门等有集中质量的部位适当增设支架。主管上的分支管(如各级之间的跨线、放空管、吹扫线、仪表件连接处等)也应考虑防振措施，分支连接处应设置补强措施，DN40及以下口径的分支管应设置临管支撑，以防止因主管与分支管振幅不同产生的应力造成支管断裂、仪表测量不准等情况。

4 振动分析与管线改进

在进行压缩机管道设计时，管道防振设计是主要考虑因素，除此之外还要综合考虑管道投资、管道柔性、厂房内操作检修空间等问题。

压缩机厂房地面与二层平台之间除了有设备、基础和管道外，还有比较密集的电缆槽盒和二层平台立柱等，当附属设备布置在厂房内时空间更加紧凑，在管道设计过程中要尤其注意管道及管道支架的位置是否与设备、电缆槽盒、结构等有碰撞，以避免对已完成管道振动分析的设计方案进行修改。

一般在主要管道布置方案确定后可进行管道振动分析。管道振动分析包括气流脉动分析和机械振动分析。本装置的压缩机主要管道布置如图3所示。根据压缩机在各最大工况下的气流脉动分析结果发现，在二级排气缓冲器出口至二级冷却器管段上有部分节点脉动值较大(即图3中红色圆圈所示位置)，需要对二级排气缓冲器至二级冷却器局部管段变径(即图3中高亮部分管道)，因此将该管段管径由DN200优化为DN250，以降低气流脉动，保证机组的安全、平稳运行。根据机械振动分析结果，各段管道的一次应力和二次应力都能满足要求，部分管道增加了防振支架，从而保证各级进气、排气管路结构固有频率满足要求。

图3 压缩机主要管道布置图

5 结语

往复式压缩机设备平面布置和管道防振设计是装置管道设计的核心内容。在设计过程中首先要确定压缩机厂房的厂房型式、大小和高度等，并根据机组型式、大小及工艺流程等，确定压缩机附属设备的平面布置方案。在管道设计过程中，结合管道振动分析结果，通常采用合理设计缓冲器容积和位置、增设孔板、合理设计管道结构和支架等方式减小管道振动。