EVA 装置超高压压缩机出口管振动分析及结构改造

王海燕

（大庆石化工程有限公司，黑龙江大庆 163714）

0 引言

2020 年以前，我国EVA 树脂（乙烯-醋酸乙烯共聚物）进口依存度始终维持在60%以上，国内对国产EVA 树脂替代进口的需求不断增大。EVA 装置指用于生产EVA 的装置设备组，其提升产能的核心设备是超高压压缩机[1]。由于聚合反应率只有10%～30%，超高压压缩机所处理的气量比高压压缩机的工作压力大3～4 倍左右，因此，排气压力通常在100 MPa 以上[2]。超高压压缩机出口管的振动将促使装置的管路附件产生疲劳破坏，长期使用将导致包含出口管在内的全管路管线开裂、损坏，致使测量计、阀门等部件损坏，受高温高压的工作环境及内含易燃易爆气体等因素的影响，管路及部件的损坏极易造成生产安全事故。因此，对其出口管的振动情况及其原因进行分析进而改善管路结构，对设备投产具有积极重要意义。

本文以某石化企业EVA 装置核心压缩机C1202 为例，针对其出口管振动进行分析，并提出结构减振方案，对该方案进行测试、验证有效。对于解决超高压压缩机出口管振动问题具有一定参考意义，有助于在维持设备正常运转的同时，保障设备使用的安全性。

1 EVA 装置超高压压缩机出口管道参数及振动情况

以C1202 一级出口管为例，主轴转速200 r/min，管道材料为调制钢，管内介质为乙烯，出入口管的相关参数如表1 所示。

表1 出入口管的相关参数

超高压压缩机C1202 工作时，存在肉眼可见的振动情况，分别在一级出口管气缸处、弯头中间、靠近地面处取3 个测试点，测量其振动情况。测量发现，弯头处的振速及振幅均最大。连接设备的出口管道内含有高温乙烯可燃气体，振动数据超标将导致设备连接结构产生疲劳甚至损坏，影响主机顺利运转，引发一系列危险性连锁反应[3]。因此，及时发现振动强烈的出口管并展开振动原因分析，进而进行重点部分的针对性结构改造，对减少生产事故具有重大意义。

2 振动原因分析

2.1 设备工作振动原因分析

（1）超高压压缩机内部介质以气体为主，工业应用中常见介质为乙烯。由于其传输方式为间歇式，即压缩机气缸需经历吸气、排气过程将介质由低压状态转变为高压状态、由较低流速转变为较高流速[4]。该过程产生气脉流动，在出口管内形成整体气柱，将压缩机振动传送到出口管中，出口管壁改变脉动流体的压力，在弯头、阀门等节点部位形成周期性激振力，导致出口管振动；加之管道振动反作用于出口管内的流体，从而产生耦合振动。C1202 出口管内压力高达120 MPa，乙烯气柱在高压下冲击弯头管壁，管道必然产生激烈振动。

（2）超高压压缩机工作会产生高温，考虑存在热胀冷缩的物理影响，出口管通常采用活动支撑。虽然C1202 出口管材料为调制钢，屈服强度、抗拉强度和疲劳强度相对较强，但其出口管约束较少，亦容易产生振动。

2.2 压缩机出口管模型分析

模拟建立如图1 所示的出口管振动模型。

图1 模拟振动出口管模型

理论上，压缩机的激振频率计算公式为：

式中 n——电机转速，r/min

k——压缩机气缸作用方式（单作用时值取1，双作用时值取2）

m——激发的谐波阶数

压缩机C1202 为单作用方式，此处k=1。根据C1202 的相关参数，得到压缩机的激振频率≈3.333 Hz。当m=7 时，计算得到f=3.333×7=23.331 Hz；当m=9 时，计算得到f=3.333×9=29.997 Hz。

利用Ansys 分析得到出口管的固有频率，前10 阶固有频率详见表2。

表2 出口管固有频率 Hz

将m=7、m=9 时计算得到的f 与固有频率进行比对，可见出口管的固有频率与压缩机C1202 的激振频率成倍频或接近倍频的关系。工程中，激振频率的共振区间在0.8f～1.2f，固有频率越接近激振频率，振动表现越强烈。该出口管的7 阶固有频率、9阶固有频率落在压缩机C1202 的共振区内，两者形成强烈共振，此时测试点的振动位移最大。经测量，该振动情况与现场实际情况相符。

3 结构减振改进方案

对设备运行中由于作用力激励产生的管道振动，可通过减少气流脉动、抑制振源振动两种路径达成减振目的，具体方案如下：

（1）降低管道内介质的压力，根据实际使用的需求设置压缩介质的进口流量。

（2）在振动情况严重的管道部分设置缓冲器，如已存在缓冲器，测量并调整缓冲器的位置。

（3）在管道的特定位置设置固有频率不同的孔板，用以保持运行中管道的固定，增加对出口管的支撑，或改变支座方式。

（4）改变管道的结构布置或连接的管道尺寸。

（5）增加阻尼减振器。

根据出口管道系统的有限元方程[5]：

其中，[M]、[C]、[K]为出口管结构的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵，{}、{}{μ}为出口管结构中节点的加速度、速度及位移的n 阶向量；{F（t）}是以时间t 为变量的载荷函数，即出口管道承受的激振力列向量。设备未运行时，出口管内无激振力，此时{F（t）}=0。

由上述分析可知，管控出口管振动可通过调节管道结构的质量、阻尼或刚度矩阵完成。对已经成型的出口管结构，难再改变其质量矩阵；增加刚性支撑，则无法消耗振动产生的能量。根据能量守恒定律，刚性支撑可能导致能量转移，由于转移量不确定及过程中存在其他不可控因素；加之实际生产需求，不适宜改变投产进口流量，因此，在避免减振措施带来负面影响、减少能源损耗的前提下，可采用出口管阻尼减振技术来减少出口管的振动。

4 阻尼减振方案

管道阻尼器是一种柱状孔隙式阻尼装置，分类较多。根据流体运动的特性，可选用粘滞型管道阻尼器，在其活塞上设置小孔，缸筒内置阻尼介质，当流体通过节流孔时会产生节流阻力，进而减少振动。

阻尼减振器产生的阻尼力为[6]：

式中 F——阻尼器产生的阻尼力

C——阻尼系数

v——活塞剪切速度

α——速度指数

阻尼系数C 越大，阻尼力F 越大[7]，其关系曲线如图2 所示：

图2 阻尼力F 与阻尼系数C 的关系曲线

由图2 可知，出口管振动的结构改造应选择阻尼系数较大的阻尼器，以增加阻尼力、提升减振效果。

安装阻尼器后，振动出口管、阻尼器及支撑结构形成一套系统（图3）。

图3 出口管振动改进模型

图4 阻尼器安装示意

简化后的超高压压缩机出口管相当于一个质量块，受到由气脉流动、共振等产生的激振力，弹性力及阻尼力的共同作用。对出口管振动方向之一简要分析，根据牛顿运动定律，出口管振动的微分方程为[8]：

根据超高压压缩机C1202 的参数，用SAP2000 建立出口管模型，得出：结构系统未增加阻尼器时，其出口管在高压120 MPa下弯头处的刚度最差，振动位移最大。

基于现场实际情况，选取M、L、K 三处作为测试点，要该结构系统安装两个阻尼器，以增加设备运转的稳定性。安装后，对出口管改造结构系统进行振动测试。

5 测试结果

对出口管结构系统进行改造，选择阻尼系数较大的粘滞阻尼器分别安装在A、B 两处，开启设备运转并测试数据情况。将安装阻尼器后的M、L、K 三个测点振动数据，与未安装阻尼器时的数据进行比对（表3）。

表3 安装阻尼器前后3 个测点的振动数据

由表2 可以得出，安装阻尼器前，结构系统的弯头部位振动明显，振动速度及振幅均较大；增加阻尼器进行结构改造后振速及振幅均明显下降，降幅分别高达75%和66%。因此有效抑制了该设备的振动情况。

6 结束语

超高压压缩机出口管振动是普遍存在的现象，利用有限元分析、模态分析等方法得到出口管固有频率及共振模态，对数据进行分析后得出振动原因为管内介质的气脉流动及耦合共振。针对振动原因提出可行性改善方案，对已安装的设备出口管进行阻尼减振处理。通过安装粘滞性阻尼器，在设备安全运转中增加阻尼力，降低出口管激振力，能够有效耗散掉管道振动的能量，同时不产生附加应力。通过对出口管结构系统的改造，振速最高降低了75%、振动幅度最高降低了66%，提高出口管结构系统的稳定性，在一定程度上延长了EVA 装置超高压压缩机设备的使用寿命，提升设备投产的安全系数。