往復(fù)式壓縮機(jī)管道防振設(shè)計(jì)的討論

［摘要］文章闡述往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的原因、振動(dòng)控制規(guī)范，并對(duì)設(shè)計(jì)中采用的防振方法以及實(shí)際運(yùn)行中振動(dòng)的消除方法進(jìn)行討論。

［關(guān)鍵詞］往復(fù)式壓縮機(jī)；管道；防振設(shè)計(jì)

［作者簡(jiǎn)介］葉曉冬，廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)有限公司注冊(cè)咨詢(xún)工程師（投資）、注冊(cè)安全工程師，研究方向：化工及管道設(shè)計(jì)，廣西南寧，530003；胡昕煒，廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)有限公司，廣西南寧，530003

［中圖分類(lèi)號(hào)］ TQ05 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1007-7723（2008）09-0050-0003

在化工設(shè)備中，壓縮機(jī)占有舉足輕重的地位，在目前的中小型合成氨廠(chǎng)中，絕大多數(shù)采用往復(fù)式壓縮機(jī)，而往復(fù)式壓縮機(jī)管道的振動(dòng)是管道設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題如果得不到解決，將會(huì)影響到整個(gè)裝置的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起管道疲勞破壞，危及壓縮機(jī)本身的安全，造成氣體泄漏以至引起火災(zāi)等事故。筆者近年來(lái)參與了多臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)工作，對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的防振設(shè)計(jì)有了一些體會(huì)，特提出來(lái)供壓縮機(jī)設(shè)計(jì)以及操作人員參考。

一、往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的原因

往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)是活塞在氣缸中進(jìn)行周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓縮機(jī)在吸、排氣過(guò)程中呈間歇性狀態(tài)，這使得接管內(nèi)氣流的壓力和速度產(chǎn)生周期性的變化。管內(nèi)氣體參數(shù)，如壓力、速度、密度等不但隨位置變化，而且隨時(shí)間作周期性變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為氣流脈動(dòng)。脈動(dòng)氣體遇到彎頭、異徑管、控制閥、盲板等元件后將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的激振力，受此激振力的影響，管道產(chǎn)生振動(dòng)。

引起管道發(fā)生劇烈振動(dòng)的主要原因有兩個(gè)：一是氣體壓力脈動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致激振力過(guò)大；另一原因是管道發(fā)生機(jī)械共振?？赡茉斐蓺怏w壓力脈動(dòng)過(guò)大的因素是，機(jī)器本身設(shè)計(jì)不合理、緩沖罐過(guò)小和管內(nèi)氣柱發(fā)生共振。管道發(fā)生機(jī)械共振的原因則是管道固有頻率與機(jī)器激振力頻率過(guò)于接近，使管道振動(dòng)急劇增大。

二、往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的控制標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)管道氣體壓力脈動(dòng)和管道振動(dòng)的控制，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，目前主要參考美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API618Reciprocating Compressors for Petroleum，Chemical and Gas Insustry Services（石油、化工和燃?xì)夤I(yè)用往復(fù)式壓縮機(jī)）。API618主要是針對(duì)機(jī)器制造廠(chǎng)制訂的，規(guī)定了機(jī)器制造廠(chǎng)應(yīng)做的工作和必須滿(mǎn)足的要求。

（一）控制脈動(dòng)和振動(dòng)的分析設(shè)計(jì)方法

API 618規(guī)定了三種分析方法控制脈動(dòng)和振動(dòng)，并要求機(jī)器制造廠(chǎng)采用其中之一。這三種方法是：

方法1：使用專(zhuān)利或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的脈動(dòng)抑制裝置來(lái)控制脈動(dòng)，并對(duì)買(mǎi)方的管道系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，為避免氣柱的共振，確定管道的臨界長(zhǎng)度。該方法無(wú)須進(jìn)行聲學(xué)模擬分析。

方法2：使用脈動(dòng)抑制裝置和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的聲學(xué)模擬技術(shù)來(lái)控制脈動(dòng)，根據(jù)跨距和支撐情況對(duì)管道各跨進(jìn)行固有頻率計(jì)算，避開(kāi)激振頻率。這種方法在進(jìn)行聲學(xué)模擬時(shí)要同時(shí)考慮壓縮機(jī)、脈動(dòng)抑制裝置和管道系統(tǒng)，以及它們之間的相互影響。

方法3：與方法2相同，但要對(duì)壓縮機(jī)氣缸和組件以及相連的管道進(jìn)行固有頻率和振型分析，并且計(jì)算動(dòng)應(yīng)力。分析中應(yīng)考慮聲學(xué)特性（壓力脈動(dòng)）和機(jī)械特性（管道布置）的相互影響。

具體要求制造廠(chǎng)采用何種方法，可參照API 618中的推薦圖表（見(jiàn)表1）進(jìn)行。表1所列出的是最低要求，一般情況下應(yīng)要求制造廠(chǎng)按照方法3進(jìn)行分析。

（二）壓縮機(jī)制造廠(chǎng)在控制壓力脈動(dòng)和管道振動(dòng)時(shí)應(yīng)符合下列要求

1.壓力脈動(dòng)的大小，用壓力不均勻度來(lái)衡量；壓力不均勻度δ用公式表達(dá)：

式中：

Pmax——不均勻壓力的最大值（絕對(duì)壓力），MPa；

Pmin——不均勻壓力的最小值（絕對(duì)壓力），MPa；

P0——平均壓力（絕對(duì)壓力），P0＝（Pmax＋Pmin）/2，MPa。

2.壓縮機(jī)氣缸法蘭處未濾波的氣體壓力不均勻度應(yīng)限制在公式（2）之內(nèi)，若其數(shù)值大于7%，則取為7 %；

δcf＝3R（2）

式中：

δcf——壓縮機(jī)氣缸法蘭處未濾波的氣體壓力不均勻度允許值，%；

R——本級(jí)壓力比（出口絕對(duì)壓力除以入口絕對(duì)壓力）。

3.采用分析設(shè)計(jì)方法1時(shí)，脈動(dòng)抑制裝置管道側(cè)的氣體壓力不均勻度應(yīng)限制在公式（3）的計(jì)算值之內(nèi)；

式中：

L——脈動(dòng)抑制裝置管道側(cè)的壓力不均勻度允許值，%；

PL——管道的平均絕對(duì)壓力，MPa。

4.采用分析設(shè)計(jì)方法2和方法3時(shí)，管系內(nèi)的氣體壓力不均勻度應(yīng)限制在公式（4）的計(jì)算值之內(nèi)。當(dāng)管內(nèi)氣體絕對(duì)工作壓力處于0.35 MPa～20 MPa之間時(shí)：

R——機(jī)器轉(zhuǎn)速，r/min；

N——壓縮機(jī)每轉(zhuǎn)的激發(fā)次數(shù)（單作用取1，雙作用取2）。

當(dāng)管內(nèi)氣體絕對(duì)工作壓力低于0.35 MPa時(shí)，公式（4）中的平均絕對(duì)壓力PL取為0.35，且此時(shí)公式（4）式的計(jì)算結(jié)果是壓力脈動(dòng)的峰-峰值，不是百分?jǐn)?shù)。

當(dāng)管內(nèi)氣體絕對(duì)工作壓力高于20 MPa時(shí)，則須詳細(xì)計(jì)算循環(huán)應(yīng)力峰-峰值，該值不應(yīng)超過(guò)材料的疲勞持久極限。

（三）進(jìn)出口緩沖罐的最小緩沖容積不得小于公式（1）和式（2）的計(jì)算值，且兩者都不應(yīng)小于0.028 式中：

Vs——需要的最小吸入緩沖容積，m3；

Vd——需要的最小排出緩沖容積，m3；

Pd——所有與入口緩沖罐相連的氣缸每轉(zhuǎn)從緩沖罐吸取的凈容積之和，m3/r；

K——?dú)怏w在平均操作壓力和溫度時(shí)的等熵壓縮指數(shù)；

Ts——入口絕對(duì)溫度，K；

M——分子量。

式中：

R——?dú)飧追ㄌm處的級(jí)壓力比（本級(jí)出口絕對(duì)壓力除以入口絕對(duì)壓力）。

三、往復(fù)式壓縮機(jī)管道的防振設(shè)計(jì)

根據(jù)上面所述原因，要減少管道的振動(dòng)，必須減小管道內(nèi)氣體壓力脈動(dòng)和避免管道發(fā)生機(jī)械共振。

（一）壓力脈動(dòng)的消除

往復(fù)式壓縮機(jī)管道內(nèi)氣體壓力脈動(dòng)與機(jī)器本身的設(shè)計(jì)、緩沖罐大小等因素有關(guān)。根據(jù)API618的規(guī)定，往復(fù)式壓縮機(jī)管道的振動(dòng)控制應(yīng)主要由壓縮機(jī)制造廠(chǎng)家負(fù)責(zé)。管道設(shè)計(jì)單位完成配管設(shè)計(jì)后，應(yīng)將管道布置和支架設(shè)計(jì)方案，提交機(jī)器制造廠(chǎng)確認(rèn)。機(jī)器制造廠(chǎng)將按規(guī)定的分析方法進(jìn)行分析認(rèn)可。

但根據(jù)現(xiàn)在中小合成氨裝置中往復(fù)式壓縮機(jī)建設(shè)的實(shí)際情況，訂貨合同中一般并不明確壓縮機(jī)是否按照API618的規(guī)定，也沒(méi)有說(shuō)明關(guān)于壓縮機(jī)防振以及管道設(shè)計(jì)方案的確認(rèn)問(wèn)題。機(jī)器制造廠(chǎng)一般都提供管道儀表流程以及管道配管的參考圖，設(shè)備供貨也是包括主機(jī)和附屬設(shè)備（緩沖器、水冷器和油水分離器等），以及按照參考流程圖范圍內(nèi)的管道、閥門(mén)、緊固件等成套供貨。管道設(shè)計(jì)方可根據(jù)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行管道布置的小幅度調(diào)整，但對(duì)于緩沖器以及管線(xiàn)大小等方面，設(shè)計(jì)方調(diào)整的余地較小。往復(fù)式壓縮機(jī)管道壓力脈動(dòng)的消除主要由壓縮機(jī)制造廠(chǎng)家負(fù)責(zé)。

（二）避免發(fā)生共振

管道機(jī)械共振是指管道結(jié)構(gòu)固有頻率與機(jī)器激振力頻率過(guò)于接近時(shí)，使管道振動(dòng)成倍增大的現(xiàn)象。工程上把0.8～1.2倍的固有頻率范圍稱(chēng)為共振區(qū)。進(jìn)行管道固有頻率分析時(shí)，應(yīng)使管系固有頻率高于機(jī)器激振頻率的1.2倍，并且不低于8 Hz。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，壓縮機(jī)的固有頻率可根據(jù)式（5）式計(jì)算，但管系的固有頻率計(jì)算是比較繁雜的，有時(shí)甚至很難計(jì)算得出來(lái)。

壓縮機(jī)的固有頻率是一定的、不能更改的，要避免共振，只能調(diào)整管系的固有頻率。固有頻率與系統(tǒng)的剛度有直接關(guān)系，剛度越大固有頻率越高，管系固有頻率的調(diào)整主要通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)剛度來(lái)完成。影響管系剛度的因素有管道走向、管徑、壁厚和管道支撐狀況。管徑、壁厚受工藝條件的限制不能隨意改變，管道走向很多時(shí)候也不便調(diào)整，常用的是通過(guò)增減支架、改變支架位置來(lái)調(diào)整管系固有頻率。

往復(fù)式壓縮機(jī)的配管除了要滿(mǎn)足一般的配管要求外，為了防止和減少振動(dòng)，可以采取以下方式：

（1）管道盡量減少?gòu)濐^。

（2）管道應(yīng)采用防振管卡或固定支架。

（3）防振支架的結(jié)構(gòu)和支架的生根部位應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，防振支架宜設(shè)獨(dú)立基礎(chǔ)。

（4）緩沖罐應(yīng)靠近壓縮機(jī)入口處。

（5）管架間距應(yīng)該相對(duì)小一些，而且間距應(yīng)不相同。

四、往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行中管道振動(dòng)的消除措施

即使在設(shè)計(jì)中采取了一些方法來(lái)減少管道振動(dòng)，往復(fù)式壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中有時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，處理的措施也是通過(guò)改變管系固有頻率來(lái)達(dá)到，具體的措施有增減改變管架位置以及在管道上設(shè)置孔板。

（一）加固設(shè)備及管架

在河池化工高壓機(jī)技改項(xiàng)目中，考慮到原有壓縮機(jī)的管道振動(dòng)問(wèn)題，在新上的一臺(tái)H223A壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)中，特別對(duì)壓縮機(jī)出口管連接的設(shè)備如冷卻器、油水分離器加包箍進(jìn)行加固。從2004年建成開(kāi)車(chē)運(yùn)行以來(lái)，壓縮機(jī)未發(fā)生大的振動(dòng)現(xiàn)象，安全運(yùn)行至今。

在南化合成氨項(xiàng)目中，建成后壓縮工段型號(hào)為4M8的往復(fù)式壓縮機(jī)，在運(yùn)行中管道發(fā)生比較大的振動(dòng)。在處理時(shí)根據(jù)振動(dòng)多發(fā)生在高壓部分的特點(diǎn)，對(duì)五、六級(jí)出口管的管架進(jìn)行加固，同時(shí)多增加了一些管架，最終消除了管道振動(dòng)大的問(wèn)題。

（二）在管道上安置孔板

在進(jìn)緩沖器的法蘭處安裝孔板，以使壓縮機(jī)出口至緩沖器入口這段管線(xiàn)氣流脈動(dòng)為行波傳播，降低壓力脈動(dòng)的不均勻度，從而消減管道振動(dòng)。

五、結(jié)論與建議

在往復(fù)式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)以及實(shí)際運(yùn)行中，一般都是通過(guò)調(diào)整管道支架改變管道的固有頻率來(lái)達(dá)到減少或消除管道振動(dòng)的目的。一旦新安裝好的壓縮機(jī)發(fā)生管道劇烈振動(dòng)的問(wèn)題，往往區(qū)分不請(qǐng)是機(jī)器制造廠(chǎng)還是管道設(shè)計(jì)方的責(zé)任，一般都是由管道設(shè)計(jì)方或者業(yè)主自己去解決。筆者根據(jù)多年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，覺(jué)得可以在以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：一是管道設(shè)計(jì)方應(yīng)與壓縮機(jī)制造廠(chǎng)充分溝通，按照API618的規(guī)定進(jìn)行壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，消除機(jī)器本體引起管道振動(dòng)的因素；二是管道設(shè)計(jì)方應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管道動(dòng)力分析方面的學(xué)習(xí)研究和應(yīng)用，對(duì)管系振動(dòng)有個(gè)定量分析，以校核壓縮機(jī)的配管是否合適，在設(shè)計(jì)階段解決壓縮機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題。

［參考文獻(xiàn)］

［1］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2003.

［2］API618 Reciprocating Compressors for Petroleum，Chemical and Gas Insustry Services［S］.

［3］梅安華.小合成氨廠(chǎng)工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1995.