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往复式压缩机出口管线振动分析及防振设计

作者：谢振红   

关键词：往复式压缩机  压力脉动  振动  措施

石化加氢生产装置中已广泛选用了往复式氢气压缩机，压缩机管道的剧烈振动具有极大的危害性。它会降低压缩机的容积效率，减少排气量，损耗功率，导致气阀及控制仪表使用寿命缩短，更严重的是管道与其附件连接部位易发生松动和破裂，对装置安全、经济运行构成严重威胁。尤其是对易燃易爆的氢气、乙烯、丙烯等气体，极易发生泄露着火或爆炸事故。因此彻底解决其振动问题，具有非常重要的意义。

振动原因

往复式压缩机是工艺装置中重要的机械设备.往复式压缩机的工作特点是活塞在气缸中进行周期性的往复运动，引起吸排气呈间歇性和周期性，管内气体参数，如压力、速度、密度等不但随位置变化，还随时间作周期性变化，这种现象称为气流脉动。脉动气体遇到弯头、异径管、控制阀、盲板等元件后，将产生随时间变化的激振力，受此激振力的作用，管道产生一定的机械振动响应[1]。

压力脉动是往复式压缩机出口管道产生振动的主要原因。压力脉动越大，管道振动的位移峰值和应力也越大。压力脉动的大小，通常用压力不均匀度来衡量。压力不均匀度δ的表达式如下[4]：

由于压力脉动始终存在，往复式压缩机管道在允许范围内存在振动也正常现象，但是，振动过于剧烈将导致管道破坏，造成严重后果。如1976年，陕西某煤矿空压机站因集气管道振动剧烈，导致与之相连的储气罐破裂爆炸，碎片飞出数十米远，砖墙被推倒，附近门窗玻璃被振碎；1982年，吉林化学公司某厂从西德引进一套年产酒精10万t的生产装置，由于配管设计方案有误，试车72h后，放空阀处即因管道剧烈振动而断裂，乙烯气随即泄出管外立即着火，车间屋架很快烧毁[1]。

管道振动的第二个原因是共振。由管道与内部流体构成的系统具有一系列固有频率，当往复式压缩机激发频率与某阶固有频率相等时，系统即产生对应于该阶频率的共振。共振时，管道将产生较大的位移和应力，管内流体的脉动达到极大值。工程上常把（0.8-1.2）fn的频率范围作为共振区，其中fn为系统固有频率，只要激发频率落在该频率区内，系统就发生较大的振动。

管道振动的第三个原因常常是由于机器本身的振动引起。机组本身的动平衡性能差、安装不对中、基础设计不当等均可引起机器振动，从而使与之连接的管道也发生振动。

振动的控制

1、压力脉动

往复式压缩机管道的振动，除少数是由机器振动引起的外，绝大多数都是由管内流体的压力脉动引起的。此类振动也是管道应力分析中最常见的振动，是典型的周期性激振作用下的强迫振动，其激振力是管内流体的脉动压力。

对于往复压缩机管道气体压力脉动和管道振动的控制，国内尚无标准，目前主要参考美国石油学会标准API618《Reciprocating Compressors for Petroleum， Chemical and Gas Industry Services》[4]。由于往复压缩机管道气体压力脉动和振动的大小与机器本身的设计、缓冲罐的大小等因素直接相关，因此，根据AP1618的规定，往复压缩机管道的振动控制应主要由压缩机制造厂负责。

气体压力脉动和管道振动的分析设计方法有三种：

方法一：使用专利或根据经验分析方法设计的脉动抑制装置来控制脉动，由气流脉动产生的压力不均匀度应满足下式要求：

该方法不做气流脉动的模拟分析，如有要求，可对管道系统进行简单分析，以确定气柱的共振管长。

方法二：使用脉动抑制装置和经过声学模拟技术来控制脉动，同时根据跨距和支撑情况对管道各跨进行力学分析，以控制振动响应。这种方法在进行声学模拟时，要考虑压缩机、脉动抑制装置和管道系统之间的声学相互作用，以及压力脉动对压缩机性能的影响。该方法要求计算压力脉动，并使其满足要求。在配管时，应满足热柔性设计。

方法三：与方法二相同，但要对压缩机气缸和组件，以及相连的管道系统进行力学分析。分析时应考虑声学和力学系统的相互作用。力学分析时要进行固有频率和振型分析，并计算动应力。对压缩机气阀和气体通道之间的声学相互作用进行研究，对其性能进行验证。

通过对三种计算方法的对比可以看出，一种比前一种内容更详细，要求更严格。究竟采用哪种方法更合适，根据API618的推荐，压缩机功率越大、出口压力越高，要求做的分析越详细，越严格，规定如图1[4] 。

2、动力分析

目前国内常用西安交通大学编制的气流脉动分析软件，结合美国COADE公司研制开发的专业管道应力分析软件CAESERⅡ对管系进行动力分析。

管系动力分析实际包含两方面的内容，即管内流体固有频率和压力不均匀度的计算，管系结构固有频率和动力响应的计算。减小压力脉动可以降低激振力的幅值，避免过大的振动位移;但有时，尽管压力脉动很小，由于管系结构接近机械共振状态，仍能引起较大的机械振动。因此，设计过程中，除了对压力脉动进行分析，还应对管系结构振动进行分析，计算调整管系结构的固有频率，使其避开机械共振，验算管系在压力脉动作用下的振动位移和应力，使其在允许范围内。

西安交通大学的气流脉动分析软件与API618中3.9款所规定的方法二相符合，该软件根据平面波动理论对往复式压缩机管道系统进行声学模拟，计算管道系统的气柱固有频率和任意位置的气流脉动，并根据API618中对气流脉动的有关规定，对管道系统的气流脉动进行评价，依据评价结果提出管道系统的设计修改建议。CAESERⅡ分析软件是管道应力分析的专用程序，能对管系进行动力分析，计算出管系结构的固有频率和振型。

对于压缩机出口管道，管系结构的最低阶固有频率不得低于8Hz。对管系固有频率的控制，国外公司比国内的更严格，一般要求固有频率不低于机器激振频率的2倍，在做分析中，至少将管系固有频率控制在机器激振频率的1.2倍以上[4]。

工程设计中的防振措施

1、选择合理的气缸作用方式[2]

气流脉动是由于气缸的周期性激发所致，不同的气缸作用方式将产生不同的气流脉动情况。因此，选择合理的气缸作用方式，可从根本上降低进出口管道的气流脉动。

2、 管系重要区段的设计[2、4]

管系重要区段是指压缩机或泵的进出口到缓冲罐的连接管段。

（1）     重要区段的长度应避开共振管长。

（2）在满足（1）的条件下，尽可能缩短重要区段的管长，管长愈短，消振效果愈显著。最好是气缸进出口法兰直接与缓冲罐连接。

（3）在无法改变重要区段的管长时，也可采用扩径的办法。一般取气缸接头管的1.5倍。

（4）尽可能减少重要区段的弯头，最好不设弯头。

（5）管道布置时，应尽量沿地面敷设，防振支架宜设独立基础。

（6）往复压缩机的支架应采用防振管卡或固定支架，不能用简单支托和吊架。防振管卡应尽量采用扁钢，不用圆钢，并且在管卡和管道之间应衬以石棉橡胶垫。

3、往复压缩机的缓冲罐[3]

在压缩机气缸附近设置缓冲罐是最简单而有效的消振措施。使用缓冲罐时要满足两个条件：

（1）缓冲罐容积要足够大。根据SH/T3143一2004《石油化工往复压缩机工程技术规定》要求，缓冲罐的直径应至少为连接管道直径的两倍，缓冲罐的容积应至少为连接气缸每转活塞排量的12倍。

（2）     缓冲罐位置要尽量靠近气缸，以减少脉冲振动。

4 、采用脉动抑制孔板[3]

       在管线的适当位置增设孔板，以改变管系的振动频率。

结语

为了满足2015年以前中国经济增长对能源的需求，扩大能源供应能力，预计到2010年将实现国内石油产量1.9亿t，炼油能力3.5亿t，乙烯生产能力1400万t，天然气供气能力1 000亿m³。往复式压缩机的应用必将是广泛的，对于往复式压缩机管道压力脉动和管道振动控制的研究依然具有特别重要的意义。

参考文献：

[1]党锡淇，陈守五.活塞式压缩机气流脉动与管道振动[M].西安:西安交通大学出版社，1984.

[2]石油化工装置工艺安装设计手册(第三版)[M].北京:中国石化出版社，2005

[3]SH/T3143一2004.石油化工往复压缩机工程技术规定