李元豐

摘要：往復(fù)式壓縮機氣體管道振動是管道設(shè)計和機器運行中經(jīng)常遇到的問題，往往影響到設(shè)備裝置的正常運行，并嚴(yán)重威脅著工廠的安全生產(chǎn)。本文分析了通常引起往復(fù)式壓縮機氣體管道振動的原因及常見的減振方法。通過對一起往復(fù)式壓縮機振動實例分析，針對原因提出合理的減震措施。實施后現(xiàn)場實際運行情況良好，振動有明顯改善。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式壓縮機;氣體;管道振動;原因;減振措施

管道內(nèi)工作介質(zhì)為氣體的稱為氣體管道，動設(shè)備以及靜設(shè)備是通過管道串聯(lián)成工藝流程的，它主要起輸運、傳遞介質(zhì)的作用。往復(fù)式壓縮機在石油、化工、冶金、紡織、動力等部門中應(yīng)用非常廣泛，氣體管道是壓縮機裝置中最主要的系統(tǒng)之一。往復(fù)式壓縮機管道的振動是管道設(shè)計和機器運行中經(jīng)常遇到的問題，往往影響到裝置的正常運行。在生產(chǎn)實際中，由于強烈地管道振動，將會使管路附件，尤其是管道的連接部位、管道與附件的連接部位和管道與支架的連接部件等處發(fā)生磨損、松動;在振動所產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下，導(dǎo)致疲勞破壞，從而發(fā)生管線斷裂、介質(zhì)外泄，甚至引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，給生產(chǎn)和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此分析其振動原因及消振措施，很有必要。本文對往復(fù)式壓縮機氣體管道振動原因進行了簡單地分析，并針對往復(fù)式氫氣壓縮機的振動問題提出了具體地減振措施。通過減振措施的實施，機組運行情況明顯改善，振動減小。

1 管道振動分析使用的控制標(biāo)準(zhǔn)

往復(fù)式壓縮機管系的振動分析應(yīng)滿足：

（1）滿足美國石油學(xué)會API618標(biāo)準(zhǔn)脈動控制要求，保證壓縮機管系氣流脈動不超過允許值。

（2）根據(jù)美國普渡壓縮機技術(shù)協(xié)會關(guān)于機械振幅要求，保證機械振動全振幅不超過允許值。

美國石油學(xué)會制訂的APl618標(biāo)準(zhǔn)，從量上規(guī)定了對壓力脈動和振動控制的設(shè)計要求。

2 壓縮機氣體管道振動原因分析

壓縮機氣體管道系統(tǒng)主要有3個振動源：一是管道內(nèi)氣柱的振動;二是氣流壓力脈沖在管件處沖擊振動;三是管道的機械振動。

2.1 氣柱共振

往復(fù)式壓縮機在運行過程中，由于吸氣、排氣是交替和間斷性的，另外活塞運動的速度又是隨時間變化的，這種現(xiàn)象就會引起壓力脈動。當(dāng)壓縮機的激發(fā)頻率 進人氣柱固有頻率的區(qū)域時，就會使管道的氣柱處于共振狀態(tài)，氣流脈動非常嚴(yán)重，引起管道甚至壓縮機和基礎(chǔ)的強烈振動。

2.2 氣流壓力脈沖在管件處沖擊振動

往復(fù)式壓縮機的氣流壓力脈動除了可能引起氣柱共振之外，管道中的壓力和速度波動在管道的轉(zhuǎn)彎處、截面變化處和各種閥件、盲板處還可能產(chǎn)生沖擊作用，引起管道振動和噪聲。在急轉(zhuǎn)彎引起的激振力最大，應(yīng)盡量避免急轉(zhuǎn)彎，力求轉(zhuǎn)彎半徑盡可能地大。

2.3 壓縮機機械振動對氣體管道的影響

壓縮機主機振動通常是由于活塞組存在往復(fù)慣性力及力矩的不平衡、旋轉(zhuǎn)慣性力及力矩不平衡、連桿擺動慣性力的存在、傾覆力矩的存在以及機器重心的周期性的移動和切向力的不均勻等各種復(fù)雜合力的作用。使壓縮機在工作時產(chǎn)生機械振動，是引起管道振動的主要原因。管道振動的另一個原因是管路結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)內(nèi)管路、管路附件、容器、支架等構(gòu)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在受到激發(fā)后就會作出機械振動響應(yīng)。對于管路的機械振動系統(tǒng)，也有一系列固有頻率。當(dāng)激發(fā)頻率與某一階機械振動固有頻率相重合或接近時，則管路系統(tǒng)將呈現(xiàn)出最大的振動響應(yīng)，形成強烈的機械振動，這就是管路機械共振。當(dāng)激發(fā)頻率等于氣柱固有頻率，又等于管路的機械固有頻率時，則氣柱和管道均處于共振狀態(tài)，導(dǎo)致管道發(fā)生更強烈振動。管道系統(tǒng)在各種不同型式的支承方式及質(zhì)量分情況下，可以用分析的方法計算得到各級壓縮的固有頻率。

如何區(qū)分氣流脈動引起的振動和管路機械振動，一般也比較容易。氣流脈動引起的振動會導(dǎo)致很遠處的管道及主機的振動;而主機動力不平衡引起的振動只發(fā)生在機器附近的管道?？赏ㄟ^檢測主機空運轉(zhuǎn)時的振動情況判斷，若空運轉(zhuǎn)時管道及主機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，而加負(fù)載后振動明顯，說明管道振動肯定是由于氣流脈動引起的。

3 壓縮機氣體管道控制振動方法

復(fù)雜管道系統(tǒng)一般由直管、彎管、緩沖器、油水分離器、冷卻器、支撐等組成，故管路中只要有氣流脈動存在，就有激振動力的產(chǎn)生，并導(dǎo)致管路振動。為防止發(fā)生振動或減小振動，常采取以下措施：

（1）減小氣流脈動。減小氣流脈動的方法比較多，現(xiàn)介紹幾種常用的方法：a.合理地配置氣缸、附屬設(shè)備及管道。通過改變管路的長度、管徑、容器的大小及位置均可調(diào)整氣柱固有頻率，以求避免氣柱共振;b.設(shè)置緩沖器。行程容積15倍的空腔，猶如一只柔軟的彈簧，起到隔離振動源的作用。緩沖器一般安裝在氣缸附近;有的在緩沖器內(nèi)安裝一個芯子元件，以衰減壓力脈動，效果比較理想;c.安裝孔板減振。在壓縮機管路的適當(dāng)部位安裝孔板是消減現(xiàn)場振動的有效措施。但孔板必須保持銳利的棱角，且孔板應(yīng)安裝在節(jié)點處，即壓力脈動值等于零或近似等于零的地方。一般在大容器的進氣口或排氣口結(jié)合處，切忌隨意安裝孑L板，因為孑L板是一個阻力元件。

（2）盡量減少管路彎頭的數(shù)量，避免急轉(zhuǎn)彎（180。轉(zhuǎn)彎），且彎頭的圓孤半徑要大，同時要進行固定，即避免空間轉(zhuǎn)彎。這是為了減小產(chǎn)生激振動場所，從而緩解機械振動。

（3）防止管路產(chǎn)生機械共振，通過改變調(diào)整管路的走向、支撐位置、支撐結(jié)構(gòu)、管路結(jié)構(gòu)尺寸等方式，調(diào)整管路的固有頻率。

（4）調(diào)整壓縮機平衡度，使壓縮機主機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在振動比較嚴(yán)重的管路上可安裝附加重量一消減器，以改變振動系統(tǒng)的自由度及固有頻率值。

（5）對于兩相流引起的管道振動。解決方案：

①工藝操作：工藝操作條件、管內(nèi)介質(zhì)的流速、管徑選擇上應(yīng)盡量避免出現(xiàn)塊狀流和塞狀流;②管道的布置：應(yīng)盡量減少彎頭個數(shù)，并考慮采用大半徑彎頭，以減少沖擊;

③支架的設(shè)置：應(yīng)盡量采用支架，不宜采用吊架，并在適當(dāng)?shù)牟课辉O(shè)置導(dǎo)向架和限位架，且應(yīng)具有足夠的剛度。

（6）對于喘振引起的管道振動。對流量進行調(diào)節(jié)，喘振便會停止。

（7）對于機器本身振動引起的管道振動。從機器本身、基礎(chǔ)設(shè)計、施工缺陷上找原因。

4 實例分析

往復(fù)式壓縮機在多晶硅生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。在多晶硅尾氣回收過程中壓縮機主要承擔(dān)著氫氣增壓的作用。我們在壓縮機安裝完成后對機組進行機械試車時機組的振動小，在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，最大振動在10mm/s以內(nèi)。機械試車振動值如下表：

在氮氣試車時發(fā)現(xiàn)振動增大（入口壓力1.7bar，出口壓力2.7bar），最高達到了23mm/s。經(jīng)過入口管道增加支架后發(fā)現(xiàn)振動明顯減?。ㄈ肟趬毫?.7bar，出口壓力2.7bar），最大振動減小至了10mm/s。改善后氮氣試車振動值如下：

在其后的負(fù)荷試車時（入口壓力3.66bar，出口壓力13.8bar）發(fā)現(xiàn)機組的振動明顯增大，最大達到20mm/s。負(fù)荷試車時振動值如下：

首先我們分析振動是氣流脈動引起的還是壓縮機機械振動引起的。壓縮機機械、氮氣試車，氣體管道非常平穩(wěn)，振動較小;加負(fù)載后，氣體管道振動振幅立刻明顯變大。由此可以推斷，氣體管道振動與氣流脈動有關(guān)。我們對氣流脈動分析進行了重新計算，分析認(rèn)為氣流脈動合乎要求。

在調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)停止壓縮機的振動也達到了4mm/s，我們認(rèn)為可能與機組共振有關(guān)系。在四臺機組周圍增加隔斷后，停止壓縮機的振動明顯減小。

針對壓縮機負(fù)載加大后，入口緩沖罐的振動、軸向振動加大的情況。經(jīng)過計算分析認(rèn)為引起振動的原因在于入口管道振動引起，同時入口緩沖罐的基礎(chǔ)施工存在問題。在對入口管線增加固定支架后，振動值減小至15mm/s。

增加支架后振動值如下表：

同時發(fā)現(xiàn)機組在設(shè)計時管道拐彎個數(shù)較多，其中直角轉(zhuǎn)彎個數(shù)較多。增大管道拐彎圓弧半徑，增大拐彎角度，避免直角拐彎但管道已成型，改動太大未進行改造。按照上述可行方法對壓縮機氣體管道系統(tǒng)進行整改，整改后振動明顯減小，效果較好。

5 結(jié)論

（1）往復(fù)式壓縮機管道的振動是機器運行時經(jīng)常遇到的問題，其原因主要有三種：一是管道內(nèi)由于壓縮機的往復(fù)運動造成的氣流脈動所產(chǎn)生的氣柱振動;二是氣流脈動在管件彎頭等處對管路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊振動;其次是管道的機械振動。首先分析振動原因有助于簡化程序，合理采取防振措施。

（2）在管路中，當(dāng)氣流脈動及各干擾頻率系統(tǒng)的固有頻率相同或相近時，會引起共振，這是造成管路振動超常的主要原因。

（3）在基礎(chǔ)施工過程中，必須對機組周圍增加隔斷減少共振引起的振動增大。

（4）在壓縮機的設(shè)計初期要減少彎頭的數(shù)量，減小產(chǎn)生激振動場所。

（5）在壓縮機的設(shè)計時要根據(jù)工藝介質(zhì)的情況準(zhǔn)確計算氣流脈動對機組振動的影響，在合適的位置增加限流孔板減小振動。

參考文獻

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