氨壓機(jī)入口管線(xiàn)振動(dòng)原因及改進(jìn)措施

劉濤，孫麗影，齊愛(ài)靜，陳良超

（1.中油錦州石化分公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處，遼寧錦州121000；2.北京化工大學(xué)，北京100029）

氨壓機(jī)入口管線(xiàn)振動(dòng)原因及改進(jìn)措施

劉濤1，孫麗影1，齊愛(ài)靜1，陳良超2

（1.中油錦州石化分公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處，遼寧錦州121000；2.北京化工大學(xué)，北京100029）

為解決錦州石化公司化工三車(chē)間氨壓機(jī)入口管線(xiàn)振動(dòng)的問(wèn)題，分析管線(xiàn)振動(dòng)的原因，采取減少管線(xiàn)彎頭、提高焊接質(zhì)量、增加剛性支承等改進(jìn)措施。

氨壓機(jī)；管線(xiàn)；振動(dòng)；原因；改進(jìn)

0 前言

錦州石化公司化工三車(chē)間冷凍崗是順丁橡膠生產(chǎn)的輔助裝置，主要功能是為橡膠聚合裝置提供低溫冷凍鹽水，用以取走聚合反應(yīng)的熱量。其中，氨壓機(jī)是核心設(shè)備，冷凍崗共有8AS-17機(jī)組3臺(tái)，8AS-12.5機(jī)組1臺(tái)。2008～2009年，公司對(duì)原來(lái)4臺(tái)故障率較高的氨壓機(jī)進(jìn)行了更換，重新將出入口管線(xiàn)進(jìn)行了配制。新設(shè)備投入運(yùn)行后，一直存在1#～3#氨壓機(jī)入口管線(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程中多次出現(xiàn)法蘭螺栓松動(dòng)、墊片泄漏的情況，這對(duì)操作人員的人身安全構(gòu)成直接威脅。為消除管線(xiàn)振動(dòng)，保證生產(chǎn)安全，對(duì)氨壓機(jī)入口管線(xiàn)振動(dòng)的原因進(jìn)行分析，制定了有針對(duì)行的改進(jìn)措施，并在檢修中得以實(shí)施，取得了預(yù)期效果。

1 氨壓機(jī)入口管線(xiàn)振動(dòng)原因分析

1.1 氨壓機(jī)相關(guān)參數(shù)

冷凍裝置氨壓機(jī)共有4臺(tái)，其中3臺(tái)型號(hào)為8AS-17，1臺(tái)型號(hào)為8AS-12.5，4臺(tái)氨壓機(jī)并聯(lián)安裝。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 氨壓機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

表2 各測(cè)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)值mm

1.2 振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)使用DK100便攜式測(cè)振儀對(duì)3臺(tái)氨壓機(jī)入口管線(xiàn)振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖1。各測(cè)點(diǎn)振幅值，見(jiàn)表2。

表2數(shù)據(jù)為單開(kāi)1臺(tái)壓縮機(jī)時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如果同時(shí)開(kāi)2臺(tái)8AS-17氨壓機(jī)，軸向振動(dòng)值最高可達(dá)到0.7 mm。

圖1 氨壓機(jī)入口管線(xiàn)軸測(cè)示意圖

1.3 管線(xiàn)振動(dòng)的原因分析

冷凍氨壓機(jī)屬于往復(fù)式壓縮機(jī)，據(jù)文獻(xiàn)[1]報(bào)道，往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)原因通常有3種。

1.3.1 氣流脈動(dòng)

往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)是吸、排氣流呈間歇性和周期性，因此不可避免的要激發(fā)進(jìn)、出口管道內(nèi)的流體呈脈動(dòng)狀態(tài)，使管內(nèi)流體參數(shù)，如壓力、速度、密度等隨位置及時(shí)間作周期性變化,這種現(xiàn)象稱(chēng)為氣流脈動(dòng)。氣流脈動(dòng)對(duì)管線(xiàn)具有破壞作用，當(dāng)氣流沿管道輸送時(shí)，遇到彎頭、異徑管、分支管、閥門(mén)等元件將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的激振力，受該激振力作用，管系便產(chǎn)生一定的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)。壓力脈動(dòng)越大，振動(dòng)的頻率越高，管道的振幅及應(yīng)力也就越大。

1.3.2 共振

由于管道和內(nèi)部氣體構(gòu)成的系統(tǒng)具有一定的固有頻率，當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)激發(fā)的頻率與固有頻率相近或相等時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該階頻率的共振，包括氣柱共振和管道機(jī)械共振。

（1）壓縮機(jī)的運(yùn)行對(duì)管路產(chǎn)生周期性的激發(fā)，當(dāng)氣柱對(duì)該激發(fā)做出響應(yīng)時(shí)，就形成氣柱受迫振動(dòng)，振動(dòng)的結(jié)果表現(xiàn)為壓力脈動(dòng)。當(dāng)激發(fā)頻率與氣柱固有頻率相等或相近時(shí)，就會(huì)激發(fā)氣柱產(chǎn)生氣柱共振。

（2）共振的另一種形式是機(jī)械共振，由于壓縮機(jī)的管道系統(tǒng)根據(jù)配管情況、支撐類(lèi)型、支撐位置及邊界情況的不同，所以有自身的固有頻率。外界任何一種激振力，如壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的不平衡慣性力、氣流脈動(dòng)沖擊力、轉(zhuǎn)軸對(duì)中不良時(shí)的機(jī)械脈動(dòng)力等，都能引起管道的機(jī)械振動(dòng)。如果這些激振力的主頻率與管道的固有頻率一致，就會(huì)激起很強(qiáng)的機(jī)械共振。

1.3.3 機(jī)組本身的振動(dòng)

由于機(jī)組動(dòng)平衡性能差，安裝不對(duì)中，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)纫蛩鼐鶗?huì)引起壓縮機(jī)振動(dòng)，從而使與之連接的管線(xiàn)也發(fā)生振動(dòng)。

1.4 管線(xiàn)振動(dòng)原因的確定

1.4.1 機(jī)組本身因素的判定

通過(guò)對(duì)冷凍氨壓機(jī)機(jī)組進(jìn)行空載運(yùn)行，在管線(xiàn)的相關(guān)測(cè)點(diǎn)位置測(cè)量，發(fā)現(xiàn)振值均在正常范圍內(nèi)，這說(shuō)明管線(xiàn)的振動(dòng)不是由于機(jī)組本身的振動(dòng)引起的。

1.4.2 共振因素的判定

首先把氨壓機(jī)入口管線(xiàn)簡(jiǎn)化為一端封閉，一端開(kāi)口的聲學(xué)管道，然后通過(guò)計(jì)算共振管長(zhǎng)度，確定管線(xiàn)振動(dòng)是否存在氣柱共振。

（1）激發(fā)頻率和氣柱固有頻率分別按（1）～（3）式計(jì)算。

因?yàn)闅庵墓舱駰l件為f＝（0.8～1.2）f固，所以，將式（1），（2）帶入（3）中，導(dǎo)出，得到系統(tǒng)管道共振的共振管長(zhǎng)度公式（4）。

也就是說(shuō)，要使系統(tǒng)管線(xiàn)的長(zhǎng)度L在公式（4）計(jì)算范圍之外，才能避開(kāi)氣柱共振區(qū)。

式中m——壓縮機(jī)曲軸一轉(zhuǎn)內(nèi)，在管道一個(gè)端口處，向管道吸、排氣次數(shù)，單作用壓縮機(jī)m＝1，雙作用m＝2；

n——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，r/min，（氨壓機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)720 r/min）；

c——?dú)怏w聲速，m/s

k——絕熱指數(shù)，k（氨）＝1.313

R——?dú)怏w常數(shù)，R（氨）＝49.79 J/kg·K

T——絕對(duì)溫度，T＝273+3＝276 K

i——振動(dòng)階數(shù)，（i=1，3，5……）

將各數(shù)值代入（4）中得L＝（1.12～1.68）m

通過(guò)計(jì)算可知，只要系統(tǒng)管道的長(zhǎng)度L在1.12～1.68 m之外，就能避開(kāi)氣柱共振區(qū)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，氨壓機(jī)入口管線(xiàn)長(zhǎng)度均超過(guò)1.68 m，都不在一階氣柱共振管長(zhǎng)的范圍內(nèi)，因此，排除了管道系統(tǒng)的振動(dòng)是由于其長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不合理造成的可能性。

（2）再來(lái)分析管線(xiàn)是否存在機(jī)械共振頻率。因管子、管件和支架組成的管道本身是一個(gè)彈性系統(tǒng)，有一定的固有頻率，當(dāng)管線(xiàn)自身機(jī)械振動(dòng)固有頻率與激發(fā)頻率相接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生管線(xiàn)機(jī)械共振現(xiàn)象。如果氨壓機(jī)入口管線(xiàn)的機(jī)械固有頻率與激發(fā)頻率的2倍、4倍頻重合，就可造成管線(xiàn)的機(jī)械共振。降低機(jī)械共振的措施，一般是用對(duì)管線(xiàn)加固的方法來(lái)改變管系的機(jī)械固有頻率。

例如，從現(xiàn)場(chǎng)安裝情況可以看出，氨壓機(jī)管線(xiàn)支承非常簡(jiǎn)單，管線(xiàn)只是鋪設(shè)在上面，未進(jìn)行管線(xiàn)加固，而且支承與地面之間沒(méi)有地腳，其剛度、強(qiáng)度均不足（圖2），這樣，氨壓機(jī)管線(xiàn)非常容易產(chǎn)生機(jī)械共振。

1.4.3 管線(xiàn)走向及支承結(jié)構(gòu)因素的判定

氨壓機(jī)入口管線(xiàn)彎頭多（圖3），而且管線(xiàn)彎頭缺少固定支點(diǎn)，彎頭處氣體運(yùn)動(dòng)方向的改變，使管線(xiàn)受到氣體沖擊力的作用，彎頭越多，管線(xiàn)受激振力就越大，管線(xiàn)的機(jī)械振動(dòng)也就越大。從現(xiàn)場(chǎng)情況可以看出，氨壓機(jī)入口管線(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理，90°彎頭數(shù)量過(guò)多，從沉降罐到3#機(jī)入口，彎頭數(shù)量達(dá)到11個(gè)，較多的彎頭使得介質(zhì)在管道中產(chǎn)生較大的激增力，加上往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行本身就是一個(gè)周期性的激發(fā)，這樣就導(dǎo)致了壓縮機(jī)入口管線(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)（圖3）。

圖2 氨壓機(jī)入口線(xiàn)支承圖

2 改進(jìn)措施

通過(guò)分析知道，知道氨壓機(jī)入口管線(xiàn)振動(dòng)主要原因是因?yàn)槿肟诠芫€(xiàn)設(shè)計(jì)不合理，氣流脈動(dòng)產(chǎn)生的激振力較大；管線(xiàn)支承剛度不好，無(wú)管線(xiàn)加固手段，在一定的激發(fā)頻率下管線(xiàn)產(chǎn)生了機(jī)械共振等所致（圖4）。為此，在檢修中采取3方面措施加以改進(jìn)。

2.1 改變管線(xiàn)布置，減少?gòu)濐^數(shù)量

現(xiàn)場(chǎng)從氨壓機(jī)緩沖罐到氨壓機(jī)入口管線(xiàn)上彎頭數(shù)量達(dá)到12個(gè)，為此，重新規(guī)劃入口線(xiàn)走向，將彎頭數(shù)量由原來(lái)的11個(gè)減少為4個(gè)，這樣可以減少氣流對(duì)管道的激振力，從而減少管道的振動(dòng)。改造后的氨壓機(jī)管線(xiàn)（圖5）。

2.2 提高焊接質(zhì)量與管件標(biāo)準(zhǔn)

提高焊接質(zhì)量，要求施工過(guò)程中管線(xiàn)焊縫全部氬電聯(lián)焊，100%射線(xiàn)探傷合格，并采用三通代替原來(lái)直接在管道上的開(kāi)口（圖6）。其目的也是進(jìn)一步降低氣流對(duì)管道的激振力。

2.3 增加和加固管線(xiàn)支承

對(duì)振動(dòng)較大的入口管線(xiàn)增加支承，使用H形鋼代替原來(lái)的Φ159 mm鋼管（圖7）。同時(shí)對(duì)管卡部位進(jìn)行改進(jìn)和加固（圖8）。在支承基礎(chǔ)增設(shè)管墩。采取以上措施是為了改變管線(xiàn)的自振頻率，使之遠(yuǎn)離激振頻率，避免機(jī)械共振的發(fā)生[2-3]。

圖3 氨壓機(jī)入口線(xiàn)彎頭數(shù)量多

圖4 原有氨壓機(jī)入口線(xiàn)

圖5 改造后的入口管線(xiàn)

圖6 用三通代替原有管線(xiàn)開(kāi)口

圖7 氨壓機(jī)入口固定管線(xiàn)支架型式

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)減少管線(xiàn)彎頭數(shù)量、提高管件標(biāo)準(zhǔn)、增加管線(xiàn)固定強(qiáng)度與剛度等改進(jìn)措施，氨壓機(jī)入口管線(xiàn)的振動(dòng)明顯降低，取得了良好的效果。改造前后入口管線(xiàn)振動(dòng)檢測(cè)數(shù)值對(duì)比情況（表3）。不僅為氨壓機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，也為類(lèi)似故障問(wèn)題的技術(shù)改造提供了經(jīng)驗(yàn)。

表3 改造前后振動(dòng)值對(duì)比

圖8 管線(xiàn)防抖支承及管墩

［1］黨錫淇.活塞式壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)與管道振動(dòng)[M].西安交通大學(xué)出版社，1984.

［2］胡躍華.管系振動(dòng)問(wèn)題的分析及消振處理措施[J].石油化工設(shè)計(jì), 2008，（25）.

［3］趙淳生.機(jī)械振動(dòng)學(xué).南京工學(xué)院出版社[M].1987.

〔編輯 王永洲〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.11