【壓縮機網】摘要：往復壓縮機的管道防振設計是管道設計中的重點和難點，其工作原理決定了氣流脈動不可避免，減振不能消除振動，而是把振動幅度盡可能降低。通過分析計算找到振動的原因，采取適當的方法進行減振，使壓縮機在理想的工況條件下運行。

　　文/張健

　　往復壓縮機是石油化工企業中的核心設備，相對于離心設備，其運動部件較多，如支撐環、氣閥等很多部件都是易損件，故障率較高。同時由于壓縮介質通常是高溫、高壓、易燃、易爆氣體，一旦壓縮機出現故障，處理不當可能會發生著火、爆炸等機毀人亡的惡性事故。往復壓縮機排氣管線振動問題同樣是困擾油氣儲運、石油化工企業生產過程的一大安全問題，現階段通過狀態監測系統中的機組振動、溫度信號還很難有效地對排氣管線振動問題進行監測和診斷。長期的超標振動會使排氣管線與其部件出現裂紋，由此導致壓縮機介質的泄漏，影響到壓縮機的安全運轉。排氣管道的振動還可能引起壓縮機廠房振動，有時會產生高達120dB的噪聲，對環境造成巨大危害。劇烈的管道振動會引起管道和相連的設備產生疲勞裂紋，管道本身開裂、緊固元件斷裂、容器爆炸，也會造成機組本身損壞，破壞力極大。壓縮機管道劇烈振動還會減少壓縮機的排氣量，降低容積效率，功率損耗增大，導致控制儀表以及壓縮機氣閥等部件使用壽命減少，對裝置的安全生產，經濟效益構成嚴重的威脅。

　　同時由于管線的振動常常引起流程中其他裝置的振動，如儲氣罐，給其他設備的安全運行埋下隱患。往復壓縮機排氣管線的故障，主要表現為振動值異常。在生產實際中，往復壓縮機管線的振動造成了許多設備嚴重損壞，停產等嚴重事故。所以研究出一種能解決往復壓縮機排出管線故障診斷與減振的方法，對生產裝置安全穩定運行具有重要意義。

　　一、往復壓縮機管道振動的原因

　　由往復壓縮機的工作方式可知，其管線的振動形式是受迫振動。根據激振力的不同情況，可以把管線的振動原因分為三類。

　　1.由機組本身振動引起的管線振動。

　　2.由氣流脈動所引起的管線振動。

　　3.當往復壓縮機激勵頻率與氣柱固有頻率或管線機械固有頻率重合或接近時，所引起的共振現象導致壓縮機管線振動。

　　二、往復壓縮機管道共振的機理及判定方法

　　1.機組本體振動導致管線振動的機理

　　往復壓縮機本體的振動有時會引起管線的劇烈振動。往復壓縮機具有交替吸氣排氣的特點，從運動機理上講，這是為了平衡機組的往復慣性力和氣體力，其曲柄連桿的運動方式導致的。電機帶動曲柄旋轉360度，由于曲柄與連桿部分重量分布不平衡會產生往復及旋轉慣性力。曲柄通過連桿十字頭機構驅動活塞做往復運動，也會產生很大的慣性力，這些慣性力如果沒有得到平衡就可能會引起排氣管線產生劇烈振動。往復壓縮機機組的安裝精度不夠、動平衡不良、管道應力過大、基礎不牢固等原因也可能引起機組和管道的劇烈振動。特別是往復壓縮機的支撐和基礎底座，如果不滿足標準就起不到吸振和支撐的作用，會加劇管道的振動。

　　2.機組本體振動導致管線振動的判定方法

　　為了判定往復壓縮機機組問題導致的排氣管振動，需要對壓縮機本體和振動的情況進行分析。如果在管線振動過大的同時出現機組本體和壓縮機基座振動超過相關標準中規定的可接受值，并且在機組空載或低負荷情況下管線振動依舊超過安全標準，那么可以認為管線振動是由機組振動所引起的。

　　3.氣栓壓力脈動導致管線振動的機理

　　往復壓縮機的運行方式是吸氣、排氣過程呈周期性和間歇性變化，該方式使管線中的氣流產生脈動，導致管道內介質的氣動熱力特性隨著時間做周期性和間歇性變化，這些氣動熱力包括壓力、密度、速度等。當流體穩定流動時，排氣管道不振動，當這種變化的氣流沿管道輸送遇到一些變化的“路況”時，如彎頭、盲板、變徑管、控制閥等，使管線內部局部壓力變化，就會表現出對管道的激振，使管道產生受迫振動。

　　4.氣柱壓力脈動導致管線振動的判定方法

　　對于一臺管線振動劇烈的往復壓縮機，首要任務就是計算排氣管線的壓力不均勻度，利用動態壓力表或者直接從分布式控制系統中查詢壓力參數，得到壓縮機排氣壓力最大壓力值和最小壓力值。通過計算壓力脈動的大小，根據壓縮機自身不同的情況，與相應標準進行對比，即可判斷壓力脈動是否在正常的范圍之內。

　　5.由共振引起的管線振動機理與判斷方法

　　當往復壓縮機排氣管道發生共振的機理時，管線內介質會形成氣柱系統與往復壓縮機管道形成的機械系統，因此，往復壓縮機會產生激勵頻率、氣柱系統固有頻率以及機械固有頻率。當往復壓縮機的激勵頻率和兩個固有頻率之一接近時，會導致嚴重的共振現象。當三者重合或接近時，有時甚至會發生多種共振耦合的情況。

　　因此，管道系統的共振分為機械系統共振和氣柱系統共振。

　　氣柱共振是指當往復壓縮機的激勵與氣柱本身的固有頻率接近或重合時，管線氣柱系統發生共振的現象。根據管線的具體形式和部件得到氣柱固有頻率，將壓縮機對管道的激勵與固有頻率進行對比，如果激勵頻率落入氣柱固有頻率的共振區間，即可以判定管線氣柱發生共振。當氣柱在某頻率的激勵下發生共振時，氣柱的壓力達到最大值。

　　當壓縮機對管道激勵頻率落入管道結構某一階固有頻率的共振區間時，管道可能會共振。管道系統如果沒有阻尼，發生共振時，管道的振幅值將接近無窮大，雖然實際情況下存在約束和摩擦，振動會得到一定的控制，但振幅還會遠遠超過運行許可標準。當往復壓縮機的激勵頻率落在管道的共振區間內，通常可以認為管線發生了機械共振。根據機組轉速和機組作用方式得到往復壓縮機激勵頻率并且通過模擬分析方法得到往復壓縮機管線的各階固有頻率后，就可以進行比較，根據兩者是否相近或重合來判定管線是否發生了機械共振。

　　三、往復壓縮機管道減振技術

　　1.針對機組振動引起管線振動的減振方法

　　針對往復壓縮機機組本身引起的管線振動，其解決方法的根本在于提高設備的支撐剛度和阻尼，尤其是往復壓縮機基礎底座的支撐剛度。如果是因為設備支撐固定不良或者剛度過低，首先應考慮的是基礎本身出現問題還是機械連接松動問題，若壓縮機基礎澆筑不牢，需要對基礎進行重新澆筑。

　　支撐松動也會使管道在機組的帶動下振動超過安全標準，所以在布置管線的支撐時，應該保證沿地面鋪設支撐，地面之下設置合理的混凝土基礎，增加支撐的剛度。壓縮機管線的支撐應該采用固定支撐或防振管卡，盡量避免采用懸掛結構或者簡單的支托；防振管卡布置時應該盡量避免幾何上與管道同心、同型，并且可以在管道的加固位置和支撐位置加粘彈性材料的吸振襯墊。

　　2.針對壓力脈動引起管線振動的減振方法

　?。?）選擇合適的往復壓縮機類型。

　　不同類型的壓縮機對管線的激勵不同，選擇合適的壓縮機類型可以從根本上減小壓力振動。

　?。?）在合適位置法蘭處加設孔板。

　　在合適的位置上增加孔板，可以大幅降低氣流脈動的不均勻度，該方法比較容易實施?？装迨且粋€阻力元件，可以把管道中的壓力駐波轉換成只有單向行進的行波，氣流壓力脈動下降，管線振幅下降。孔板通常安裝在排氣管線緩沖罐的進出口法蘭處，由于往復壓縮機管線振動主要體現在低頻，所以在緩沖罐進出口位置加孔板是對氣流脈動最有效的抑制措施。

　　（3）增加緩沖罐。

　　可以利用壓縮機出口緩沖罐的容積減小壓力不均勻度，但不同型式的往復壓縮機對緩沖罐的體積大小有明確的要求，且緩沖罐的安裝位置離氣缸進出口越近越好。最好緊挨壓縮機氣缸的進出口處分別設置一個吸氣罐和排氣緩沖罐，這樣能最大限度地減小氣流脈動。

　?。?）增大彎頭角度并在彎頭處加固支撐。

　　按照氣流脈動的理論，彎頭的角度是往復壓縮機管道受到氣流脈動的激勵力大小的重要因素之一，因此增大彎頭角度，可以減少壓力脈動不均勻度對管道的激振力。由于現場條件有限，彎頭的角度不能過大。在彎頭附件加固支撐，使支撐的剛度變大，保證壓力脈動不會引起較大的管線振動。

　?。?）數臺往復壓縮機管線并聯排氣，使用集管器減小氣流脈動。

　　多臺壓縮機進行并聯壓縮，如果將壓縮后的介質通過排氣管線輸入到總管，由多個壓縮機所產生的氣流脈動匯合之后就會進行疊加，氣流脈動的疊加有不確定性，疊加后氣流脈動可能會增大也可能會減小，疊加之后的結果取決于各個壓縮機之間的曲軸轉角差。所以為了減小由于多臺壓縮機排氣匯合引起的振動疊加，需要在各個排氣匯合到總管之前設法減小氣流脈動?，F在工程上通用的方法是在總管匯合之前加入集管器，其工作原理與緩沖罐類似。

　?。?）采用阻尼器減小管線振動。

　　對于氣流脈動導致的管線振動，可以通過增加阻尼器來減小。阻尼器就相當于一個吸振器，把管線振動的機械能轉換成其他形式的能量，從而使管線振動減小。

　　3.針對共振原因的管線減振方法

　　首先，避免氣柱系統共振。氣柱系統的固有頻率取決于介質的傳播速度和氣柱的長度，當往復壓縮機對管線的激勵頻率處于氣柱固有頻率的共振區間時，壓縮機管道內的氣柱系統就會發生共振，由于壓縮機的壓縮介質無法改變，介質的聲速就無法改變。想改變氣柱系統的固有頻率，只能通過改變氣柱系統長度，氣柱系統的長度就是壓縮機管線的長度。所以往復壓縮機管線發生氣柱共振，需要重新配管布置。

　　其次，避免管道系統發生機械共振。當往復壓縮機的激勵頻率落入其管線固有頻率共振區間時會引起管線系統機械共振。避免管線系統發生機械共振的關鍵就在于使激勵頻率和管線固有頻率錯開。管線系統的機械固有頻率要比氣柱系統的固有頻率復雜很多，其決定因素有系統的質量、剛度、阻尼等，想要改變系統的固有頻率就要從這幾方面入手，目前應用最廣的就是通過改變管線的支撐位置和數目來改變管道的固有頻率。

　　管線支撐的位置、數目、剛度、質量等因素都影響著管線的固有頻率。增大系統的剛度，減小系統的質量可以增大管道的固有頻率，反之則減小管道的固有頻率。安裝管道的支撐時，注意支撐的相互距離，保證大體上相同，但相鄰的兩段，其跨距絕對不能相等，這時每兩個支撐之間的管段就可以視為一條管線，具有相應的固有頻率，保持每段的跨距不一致，可使每段的固有頻率錯開，這樣就可以避免往復壓縮機的激勵所引起的整個管線的共振。

　　往復壓縮機的管道防振設計是管道設計中的重點和難點，其工作原理決定了氣流脈動不可避免，減振不能消除振動，而是把振動幅度盡可能降低。氣流脈動是引起管道振動的內因，管道結構變化是引起振動的條件，通過分析計算找到振動的原因，采取適當的方法進行減振，使壓縮機在理想的工況條件下運行。

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