液化天然氣廠管道振動(dòng)原因分析及對策

武飛

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué))

管道振動(dòng)現(xiàn)象非常普遍，幾乎遍及所有涉及流體機(jī)械的場合，特別是使用壓縮機(jī)的場所。在化工、煉油、輕工、食品、制藥等行業(yè)，管道振動(dòng)問題經(jīng)常發(fā)生，常常會(huì)影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行，有時(shí)甚至還會(huì)引起管道爆炸、有毒流體泄漏等惡性事故的發(fā)生，嚴(yán)重危及員工的身體健康和企業(yè)的正常運(yùn)作。以本文所述的液化天然氣 （LNG）廠為例，該廠在生產(chǎn)過程中，離心壓縮機(jī)管道振動(dòng)非常嚴(yán)重，甚至整個(gè)車間地面都會(huì)晃動(dòng)，控制室的員工無法正常工作。無奈之下，該廠只好降低工作壓力，減負(fù)荷生產(chǎn)，廠領(lǐng)導(dǎo)苦不堪言。

1 管道振動(dòng)的原因和機(jī)理

1.1 管道振動(dòng)的原因

研究管道振動(dòng)的機(jī)理和原因的文獻(xiàn)[1-3,5]很多。歸納起來，引起管道振動(dòng)的原因有兩個(gè)方面：

（1）由于壓縮機(jī)、泵等流體機(jī)械對流體進(jìn)行間歇性加壓，管道內(nèi)流體的壓力會(huì)上下波動(dòng)形成脈動(dòng)壓力。脈動(dòng)壓力會(huì)在管道彎曲部位、直徑變化部位、閥門連接處等管道幾何不連續(xù)部位產(chǎn)生相應(yīng)的隨時(shí)間而變化的復(fù)雜應(yīng)力。在這種復(fù)雜應(yīng)力的作用下，管道就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

（2）由于壓縮機(jī)、泵等流體機(jī)械本身的動(dòng)平衡性能較差，在工作中不平衡的慣性力會(huì)使流體機(jī)械自身產(chǎn)生振動(dòng)，從而引發(fā)與之連接的整個(gè)管道系統(tǒng)振動(dòng)。

通過對管道系統(tǒng)振動(dòng)原因的深入研究可知，管道的振動(dòng)大多是由于壓力脈動(dòng)在管道幾何不連續(xù)處產(chǎn)生應(yīng)力引起的，而流體機(jī)械本身隨著設(shè)計(jì)和制造水平的提高，其動(dòng)平衡性能通常較好，一般不會(huì)出現(xiàn)因動(dòng)平衡不佳而產(chǎn)生振動(dòng)的問題。

1.2 管道振動(dòng)的機(jī)理

物質(zhì)世界是相對靜止和絕對運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一。由于管道幾何不連續(xù)處在管道系統(tǒng)中是必然存在的，故管道振動(dòng)也是必然的。我們要控制的是管道的大幅振動(dòng)，是超過一定閾值而影響正常生產(chǎn)的管道振動(dòng)。

管道系統(tǒng)內(nèi)的氣體稱為氣柱，氣柱可以看作是可壓縮和膨脹的類似彈簧的彈性體。在壓縮機(jī)的管道系統(tǒng)中，氣柱靠近壓縮機(jī)的一端，由于壓縮機(jī)間歇性地吸氣和排氣，氣柱就受到一個(gè)間歇性的激發(fā)作用。在這個(gè)激發(fā)作用下，氣柱將產(chǎn)生受迫振動(dòng)，其結(jié)果是使管道內(nèi)的氣體壓力上下起伏，呈現(xiàn)脈動(dòng)狀態(tài)，即產(chǎn)生所謂壓力脈動(dòng)。氣柱的壓力脈動(dòng)在管道轉(zhuǎn)彎處、直徑變化處、與閥門等附件連接處等將產(chǎn)生相應(yīng)的隨時(shí)間而變化的激振力，從而激發(fā)管道振動(dòng)。

不同的氣柱有不同的固有頻率。氣柱的狀態(tài)與管子的形狀有關(guān)，包括管子的長短、內(nèi)直徑、走向、相互配置的幾何關(guān)系等；還與氣體本身有關(guān)，包括氣體組成、分子量、壓力、溫度、密度和速度等。若壓縮機(jī)激勵(lì)的頻率與氣柱的固有頻率相同，氣柱就會(huì)發(fā)生共振，將產(chǎn)生很大的振動(dòng)。同樣，若氣柱的振動(dòng)頻率與管道的固有頻率 （管道的固有頻率與管道的長短、直徑、壁厚、走向、相互配置的幾何關(guān)系等有關(guān)）相同，管道就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，大振幅的管道振動(dòng)將影響整個(gè)管路系統(tǒng)的運(yùn)行。所以說管道振動(dòng)與管道的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及氣柱本身有關(guān)。

2 管道振動(dòng)的影響因素

分析管道振動(dòng)的原因和機(jī)理可知，影響管道振動(dòng)的因素有下述幾方面：

（1）引起振動(dòng)的激勵(lì)。即與壓縮機(jī)的固有頻率、吸排氣狀況等有關(guān)。

（2）在相同的端點(diǎn)激勵(lì) (例如相同壓縮機(jī)的吸、排氣)情況下，與管道內(nèi)流體的物性參數(shù) (包括氣體組成、分子量、壓力、溫度、密度和速度等)以及管道的幾何配置情況 (包括管道的長短、直徑、壁厚、走向、相互配置的幾何關(guān)系等)有關(guān)。

因此，在管道設(shè)計(jì)時(shí)，首先要知曉管道內(nèi)流體的物性參數(shù)；其次，結(jié)合配管的相關(guān)要求和強(qiáng)度、剛度計(jì)算數(shù)據(jù)確定管道的幾何配置情況；再次，根據(jù)已知參數(shù)利用相關(guān)計(jì)算軟件計(jì)算氣柱的固有頻率和管道系統(tǒng)的固有頻率，如果二者的固有頻率比較接近，則需重新設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)，直至二者的固有頻率有較大的差值；最后，本著激勵(lì)頻率與氣柱、管道固有頻率不接近的原則，結(jié)合氣柱和管道的固有頻率及其他相關(guān)要求選取合適的流體機(jī)械。

3 管道減振對策

針對上述管道振動(dòng)的原因和機(jī)理，管道減振對策包括下述幾方面：

（1）控制或減緩壓力脈動(dòng)，降低脈動(dòng)激振力。

（2）優(yōu)化或改善流體機(jī)械及其基礎(chǔ)的動(dòng)平衡性能，消除不平衡慣性力引起的管道振動(dòng)。

（3）調(diào)整氣柱和管道系統(tǒng)的固有頻率，使其與激發(fā)頻率有差值，以消除共振引起的大幅度的管道振動(dòng)。

3.1 控制或減緩壓力脈動(dòng)

由壓縮機(jī)等流體機(jī)械引起的壓力脈動(dòng)主要是由間歇加壓引起的，減緩壓力脈動(dòng)的關(guān)鍵是使管道內(nèi)氣體的壓力波動(dòng)不大，最好使管道內(nèi)氣體的壓力趨于恒壓。

在配管設(shè)計(jì)中，壓力脈動(dòng)的控制比較復(fù)雜，除了滿足工藝對管道的要求外，有時(shí)還須在系統(tǒng)的適當(dāng)位置正確配置緩沖罐、孔板、支管、衰減器、集管器等元件，或者在管道系統(tǒng)某些部位設(shè)置液流消振器、消振簧、儲(chǔ)能器等裝置，以消減或抑制壓力脈動(dòng)?？刂苹驕p緩壓力脈動(dòng)的方法有以下幾種[2-4]。

（1） 緩沖罐

在壓縮機(jī)進(jìn)氣口或排氣口附近裝設(shè)緩沖罐，可有效地降低管道系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)。其主要原因是緩沖罐可作為管道系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件將壓縮機(jī)和管道有效地分開，使脈動(dòng)壓力在緩沖罐內(nèi)消減，而管道內(nèi)的氣體壓力基本保持恒定。進(jìn)氣緩沖罐可以限制從緩沖罐上游來的壓力脈動(dòng)進(jìn)入壓縮機(jī)；排氣緩沖罐不僅可限制脈動(dòng)壓力進(jìn)入管道系統(tǒng)，還可限制管道的壓力脈動(dòng)返回壓縮機(jī)。

緩沖罐有兩種類型：一種是單容器緩沖罐，如圖1所示；另一種是由兩個(gè)容器串接組成的π型濾波器緩沖罐，如圖2所示。這兩種緩沖罐相比較，在總?cè)莘e相等的情況下，若π型濾波器前的脈動(dòng)壓力高出單容器的1倍，則π型濾波器后的脈動(dòng)壓力約是單容器的一半。由此可見，π型濾波器緩沖罐對脈動(dòng)壓力的消減作用效果較好。

圖1 單容器緩沖罐

圖2 π型濾波器緩沖罐

緩沖罐的減振效果取決于緩沖罐容積的大小和緩沖罐是否足夠靠近壓縮機(jī)。緩沖罐安裝在靠近壓縮機(jī)處是非常有效的減振措施,而遠(yuǎn)離壓縮機(jī)氣缸的緩沖罐往往起不到預(yù)期的減振效果。API 618標(biāo)準(zhǔn)給出的緩沖罐容積計(jì)算公式如下所示[4]：

式中Vs——入口緩沖罐的最小容積，m3；

V——相應(yīng)壓縮機(jī)氣缸每轉(zhuǎn)內(nèi)排（吸）氣體的總凈容積，m3；

K——絕熱系數(shù)；

Ts——入口側(cè)氣體溫度，K；

M——?dú)怏w分子量；

Vd——出口緩沖罐的最小容積，m3；

R——?dú)飧椎募墘罕取?/p>

緩沖罐進(jìn)、出口位置的設(shè)置對減緩氣流脈動(dòng)、減小振動(dòng)也有很大的影響。進(jìn)、出口的位置如圖3所示。多年來減振實(shí)踐表明，圖3（a）所示的進(jìn)、出口位置的設(shè)置消振效果不顯著，圖3(b)消振效果比圖3(a)提高15%～20%，圖3(c)消振效果比圖3(b)提高2～3倍。

圖3 緩沖罐進(jìn)、出口的位置

（2） 孔板

由于壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)要求或安裝條件的限制，有時(shí)緩沖罐的安裝位置無法靠近壓縮機(jī)氣缸，因而壓力脈動(dòng)消減效果不理想，特別是在氣缸與緩沖罐的連接管為共振管長時(shí)更是如此。這時(shí)在緩沖罐法蘭處安裝恰當(dāng)尺寸的孔板，可以達(dá)到消減壓力脈動(dòng)的目的。

孔板的結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于孔板的內(nèi)徑小于與之連接的管道的內(nèi)徑，利用節(jié)流降壓原理可以減緩壓力脈動(dòng)?？装宓慕Y(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置對其減振效果有很大的影響。根據(jù)試驗(yàn)，推薦孔板的內(nèi)徑d與管道內(nèi)徑 D之比為 d/D=0.43～0.5，厚度 h=3～5 mm。對于低聲速介質(zhì)，d/D可靠近0.5取值；對于高聲速介質(zhì),d/D可靠近0.43取值[4]?？装逡话氵x用與管道相同或性能相近的材料，孔板內(nèi)徑邊緣處必須保留銳利棱角,不得倒角,否則減振效果會(huì)降低。

圖4 孔板結(jié)構(gòu)

孔板應(yīng)與緩沖罐配合使用，沒有緩沖罐而單獨(dú)使用孔板將無法起到消振作用，并且孔板應(yīng)安裝在緩沖罐進(jìn)出口法蘭處，孔板遠(yuǎn)離緩沖罐單靠局部阻力也起不到消振作用。

（3） 衰減器

衰減器就是一種在緩沖罐內(nèi)插入多孔管的裝置，它使脈動(dòng)氣流全部或部分從多孔管的管孔穿過，可以有效地降低壓力脈動(dòng)。由于衰減器的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部氣流流動(dòng)的復(fù)雜性，衰減器的設(shè)計(jì)需經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，根據(jù)測量壓力脈動(dòng)的減弱效果來確定衰減器的最終結(jié)構(gòu)形式。衰減器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，具體結(jié)構(gòu)尺寸需經(jīng)過實(shí)驗(yàn)或仿真模擬方式確定。

圖5 衰減器結(jié)構(gòu)

（4） 集管器

多臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)并聯(lián)使用時(shí),通過集管器將氣流匯合,不同相位的脈動(dòng)壓力在集管器內(nèi)疊加，有時(shí)會(huì)使壓力脈動(dòng)相互抵消，有時(shí)會(huì)相互加強(qiáng)。為了避免壓力脈動(dòng)在集管器內(nèi)相互加強(qiáng)，需增大集管器的流通面積，通常集管器的流通面積大于所有進(jìn)氣管流通面積總和的3倍。集管器與壓縮機(jī)排氣管的連接示意圖如圖6所示。

圖6 集管器的連接

（5）穿膛式液流脈動(dòng)減振器

穿膛式液流脈動(dòng)減振器[6]是一個(gè)立式空腔圓筒容器，容器的上部充滿氣體 （該氣體不得與液體起化學(xué)反應(yīng)）,下部液流穿膛而過，如圖7所示。上部的氣體提供了柔性彈簧作用，使后繼管內(nèi)的液柱與振源隔離。為了防止脈沖液流直沖后繼管道，讓減振器的進(jìn)口管伸入腔內(nèi)，在伸入管的端部還安置了孔板?？装宓目趶揭话闳0=0.25d。在伸入管的側(cè)面鉆數(shù)排小孔 （小孔的排列最好是不規(guī)則的），使孔板的通流面積與小孔總面積之和不小于液流管道的通流面積。穿膛式液流脈動(dòng)減振器應(yīng)安置在靠近泵體處。

圖7 穿膛式液流脈動(dòng)減振器結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化或改善流體機(jī)械及其基礎(chǔ)的動(dòng)平衡性能

流體機(jī)械自身的動(dòng)平衡性能不佳或基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)，往往在空載運(yùn)行時(shí)機(jī)組和管道系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。改善流體機(jī)械的動(dòng)平衡性能往往需在設(shè)計(jì)階段解決，通過各種先進(jìn)的CAD設(shè)計(jì)軟件和實(shí)驗(yàn)使流體機(jī)械的動(dòng)平衡性能本質(zhì)良好。目前國內(nèi)外流體機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造水平一般都能滿足動(dòng)平衡性能的要求，故管道振動(dòng)由流體機(jī)械的動(dòng)平衡性能不佳引起的案例少之又少。

提高基礎(chǔ)減振性能的方法包括增大或加重水泥混凝土基礎(chǔ)；增加地腳螺栓的數(shù)量或加大尺寸；調(diào)整聯(lián)軸器徑向、軸向同軸度；采用雙螺母防止連接松動(dòng)等。

3.3 消除共振

消除共振就是使氣柱的固有頻率、管道系統(tǒng)的固有頻率、激勵(lì)頻率三者有較大的偏離，一般要求偏離30%～40%。要避免管道系統(tǒng)發(fā)生共振，就應(yīng)在配管設(shè)計(jì)階段進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。壓縮機(jī)選好后，激勵(lì)頻率很難改變，故需改變氣柱的固有頻率和管道系統(tǒng)的固有頻率。

（1）改變氣柱的固有頻率

氣柱的固有頻率與氣體組成、分子量、壓力、溫度、密度和速度以及管道的長短、內(nèi)直徑、走向、相互配置的幾何關(guān)系等有關(guān)。在給定的工藝條件下，可以通過改變管道的長度、內(nèi)直徑和走向等改變氣柱的固有頻率，使其遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率和管系的固有頻率。

（2）改變管系的固有頻率

管系的固有頻率與管道的長短、直徑、壁厚、走向、相互配置的幾何關(guān)系等有關(guān)?？梢酝ㄟ^以下方法改變管系的固有頻率。

1）改變管道的長度

在配管條件允許時(shí)，通過改變管道的長度可以有效地改變管系的固有頻率。但要避免對管道進(jìn)行彎曲，有時(shí)還需增設(shè)管架來提高管系的剛度。

2）避免管道結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)

壓力脈動(dòng)在管道彎頭處、異徑管連接處、閥門連接處等管道幾何不連續(xù)處產(chǎn)生激振力，從而引發(fā)管道振動(dòng)。故應(yīng)盡量減少管道的彎道數(shù)目，若必須改變管路的走向時(shí)，應(yīng)采用大曲率半徑彎管代替大曲率彎頭，盡量減少異徑管和閥門等改變管道幾何連續(xù)性的連接。

3）設(shè)置管道支架

在管道系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置管架，可以有效地改變管系的固有頻率，使其避開激發(fā)頻率，避免共振的發(fā)生。管架的剛度和數(shù)量對管系的固有頻率影響較大，管架的剛度越大，管系的固有頻率就越大。在工程實(shí)際中，管架和管道之間通常襯有襯墊，襯墊降低了管架和管道的連接剛度，因此在配管設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量增加連接剛度，最好采用剛性連接。另外，在配管設(shè)計(jì)中，為了提高管道系統(tǒng)的剛度，管架支撐距離不宜過大，管架要支撐在地面上，避免管架支撐于其他構(gòu)件上，必要時(shí)還需設(shè)置管墩等獨(dú)立支撐。

4 工程應(yīng)用

某LNG廠在生產(chǎn)過程中，離心壓縮機(jī)二級壓縮出口管道振動(dòng)非常嚴(yán)重，使整個(gè)車間地面晃動(dòng)，控制室的員工無法正常工作。經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)：該廠壓縮機(jī)管道在正常負(fù)荷下振動(dòng)嚴(yán)重，在低負(fù)荷下運(yùn)行幾乎沒有振動(dòng)產(chǎn)生；振動(dòng)嚴(yán)重的部位管道很短，但是彎頭和閥門很多；該廠采用緩沖罐減振，但緩沖罐離壓縮機(jī)較遠(yuǎn)；振動(dòng)管道上雖然做了管架支撐，但支撐管架很小，管架與管道采用帶襯墊的柔性連接，管架由小膨脹螺栓和車間地面連接；整個(gè)廠的管路布置采用插空布置法，彎曲部位較多。

結(jié)合本文所述的管道振動(dòng)原因和機(jī)理，經(jīng)分析得出該LNG廠管道振動(dòng)的原因有如下幾方面：

（1）該管道振動(dòng)是由壓力脈動(dòng)引起的，壓縮機(jī)和基礎(chǔ)的動(dòng)平衡性能良好；

（2）雖然設(shè)置了緩沖罐消減壓力脈動(dòng)，但是緩沖罐與壓縮機(jī)的距離太遠(yuǎn)，消振效果不佳；

（3）振動(dòng)管道的彎曲部位太多，并且彎曲處的曲率較大；

（4）支撐管架剛度太小，對管道的固有頻率改變不大。

根據(jù)本文所述的管道減振對策，并結(jié)合該LNG廠的實(shí)際情況，得出該廠壓縮機(jī)管道減振方案如下所述：

（1）由于緩沖罐的位置不便改動(dòng)，在緩沖罐進(jìn)出口法蘭處裝設(shè)孔板，消除壓力脈動(dòng)。

（2）在不改變管道的情況下，更換剛度較大的管架，管架與管道采用剛性連接，并設(shè)置管墩等獨(dú)立支撐。

（3）改變振動(dòng)管道的走向，減少管道彎曲，增大管道彎曲曲率半徑。

（4）改變緩沖罐的位置，使其靠近壓縮機(jī)。

5 結(jié)論

管道振動(dòng)是個(gè)十分復(fù)雜的問題，也是許多行業(yè)經(jīng)常遇到的問題。避免管道振動(dòng)應(yīng)從配管設(shè)計(jì)階段入手，選擇動(dòng)平衡性能較好的流體機(jī)械和設(shè)計(jì)穩(wěn)固的機(jī)械基礎(chǔ)；設(shè)置緩沖罐、孔板等消減壓力脈動(dòng)的裝置；管道走向應(yīng)盡量減少彎頭或采用曲率半徑較大的彎管結(jié)構(gòu)；管架應(yīng)采用剛度較大的結(jié)構(gòu)，必要時(shí)選用管墩等獨(dú)立支撐；通過計(jì)算，使氣柱固有頻率、管系固有頻率、激勵(lì)頻率三者有較大的偏離，避免共振發(fā)生。

對于在役管道的振動(dòng)，要仔細(xì)調(diào)研分析產(chǎn)生振動(dòng)的原因，根據(jù)產(chǎn)生振動(dòng)的原因和機(jī)理采取相應(yīng)的減振對策，以消除管道振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正常平穩(wěn)運(yùn)行。

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