往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)與控制措施探討

馮丞科，王明星，弋山，侯磊

（1.中石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021；2.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都壓縮機(jī)分公司，四川 成都 610100）

往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的控制問題受到了社會(huì)各界的關(guān)注，一方面是因?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)對我國工業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展有著十分重要的影響，另一方面是因?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)的發(fā)展空間很大，如果管系振動(dòng)的控制問題能夠解決，那么往復(fù)式壓縮機(jī)將會(huì)迎來一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇。本文對往復(fù)式壓縮機(jī)的關(guān)系振動(dòng)的產(chǎn)生進(jìn)行了探究，結(jié)合往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行原理，找出了能夠?qū)⑼鶑?fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)的解決措施，希望能夠?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)的減振工作提供參考，從而確保往復(fù)式壓縮機(jī)能夠安全高效地應(yīng)用到工業(yè)中。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的產(chǎn)生原因

往復(fù)式壓縮機(jī)主要依靠活塞的運(yùn)動(dòng)完成壓縮工作，在活塞運(yùn)動(dòng)的周期性過程中管內(nèi)的氣體會(huì)隨著活塞的運(yùn)動(dòng)排出和進(jìn)入管道，由于氣體的吸入和排出，管道會(huì)產(chǎn)生一定程度上的振動(dòng)，再加上活塞的運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致管道呈現(xiàn)周期性的振動(dòng)趨勢，并且隨著活塞運(yùn)動(dòng)逐漸加快，在管道口邊緣的氣體由于邊緣效應(yīng)表現(xiàn)出流動(dòng)的狀態(tài)，最終導(dǎo)致管道內(nèi)的氣體流動(dòng)情況呈現(xiàn)周期性變化的趨勢。隨著氣流脈動(dòng)的產(chǎn)生，氣流脈動(dòng)在經(jīng)過彎頭、分支管、閥門以及盲板等原件時(shí)由于碰撞將產(chǎn)生周期性的激振，在這種激振作用力的作用下，管系會(huì)產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)隨著激振作用力的增大而增強(qiáng)，當(dāng)管系振動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)影響到閥門的正常使用以及其他部分的正常運(yùn)行，導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機(jī)的工作效率降低，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機(jī)產(chǎn)生明顯的機(jī)械振動(dòng)，加大了某些元件的磨損程度，甚至產(chǎn)生氣體泄漏最終引發(fā)爆炸等。除此以外，當(dāng)管內(nèi)氣體隨著活塞的運(yùn)動(dòng)逐漸形成氣柱時(shí)，氣柱與管系也會(huì)產(chǎn)生共振作用，因?yàn)闅庵旧砀鶕?jù)特性會(huì)有一個(gè)固有頻率，該頻率與外界環(huán)境因素?zé)o關(guān)，只由氣柱本身的組成和其他的自身性質(zhì)決定，在氣柱與管系共同組成的系統(tǒng)中，氣柱的固有頻率并不能起到關(guān)鍵作用，其中能和管系形成共振的是氣柱的激發(fā)頻率，該頻率主要由活塞的運(yùn)動(dòng)情況決定，與氣柱的自身情況關(guān)系不大。管系的振動(dòng)情況便主要由氣柱的激發(fā)頻率和管系的振動(dòng)頻率共同決定，我們在研究管系振動(dòng)的控制措施時(shí)需要將氣柱的共振考慮進(jìn)去，從而最大程度上減小氣柱對管系振動(dòng)控制工作帶來的影響。少數(shù)情況中還會(huì)出現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)自身的機(jī)械振動(dòng)與管系振動(dòng)產(chǎn)生共振的情況，這種情況造成的后果比較嚴(yán)重，它不僅會(huì)導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機(jī)的平衡性能降低，還會(huì)增加各個(gè)部分的摩擦，最終，影響到往復(fù)式壓縮機(jī)的正常工作。由此可見，控制好往復(fù)式壓縮機(jī)的管系振動(dòng)是十分重要的。我們可以通過控制管系振動(dòng)的范圍達(dá)到控制往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的目的，一方面，是因?yàn)楣芟嫡駝?dòng)的范圍可以通過減降低共振的可能性實(shí)現(xiàn)，操作起來比較方便；另一方面，是因?yàn)閷⒐芟嫡駝?dòng)控制在一定的范圍內(nèi)可以有效延長往復(fù)式壓縮機(jī)的使用年限，降低了往復(fù)式壓縮機(jī)消耗的成本。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)分析中使用的控制標(biāo)準(zhǔn)

由于往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的研究比較普遍，多數(shù)的研究都是采取的以下標(biāo)準(zhǔn)：首先是壓力脈沖的范圍不可以超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)為美國石油學(xué)會(huì)API618 指定的關(guān)于脈沖控制要求），其次，就是往復(fù)式壓縮機(jī)的機(jī)械振幅不可以超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)為美國壓縮機(jī)技術(shù)協(xié)會(huì)在機(jī)械振幅范圍方面提出的要求）該標(biāo)準(zhǔn)與壓力脈沖的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)是一致的，經(jīng)過計(jì)算可以找出二者之間的關(guān)系。下面對往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)介紹：首先是壓力脈沖的相關(guān)計(jì)算，當(dāng)壓力處于某固定范圍內(nèi)時(shí)，例如，0.35 ～20.7MPa 時(shí)，壓力的不均勻度按照固定的計(jì)算公式完成計(jì)算，其公式為X=126.77/（Pdf）^（1/2），其中X代表我們要求的壓力不均勻度，主要用來衡量關(guān)系壓力的分布情況；規(guī)定用P 代表管系內(nèi)部的壓力平均值，又叫作管內(nèi)絕對平均壓力，單位為MPa；公式中的d 代表的是管系內(nèi)部的直徑，單位為mm；f 則代表的是管系振動(dòng)的脈沖頻率，單位為Hz。為了計(jì)算管系振動(dòng)的脈沖頻率，我們可以選用以下計(jì)算公式：f=nm/60，公式中的f 表示的是我們要求的管系振動(dòng)脈沖頻率，單位為Hz，n 代表的是往復(fù)式壓縮機(jī)中轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，單位為r/min，而m 則主要表示氣柱的激發(fā)頻率的階次。為了計(jì)算方便，我們還需要根據(jù)美國石油協(xié)會(huì)API618 的規(guī)定計(jì)算出緩沖罐的內(nèi)部體積，主要用到的公式為：V1=9.27V(KT/M)^(1/2)，V2=V1/R^(1/K)，其中V1 主要表示的是往復(fù)式壓縮機(jī)管系入口的緩沖罐的最小容積，單位為m3；V2 則主要表示往復(fù)式壓縮機(jī)管系出口的緩沖罐的最小容積，單位與V1 相同，都是m3；K 表示的是緩沖罐的絕熱指數(shù)；而T 則表示的是管系吸入側(cè)的絕對溫度，其單位為K，由此可見，管系吸入側(cè)的絕對溫度與緩沖罐的絕熱指數(shù)有關(guān)；公式中的M 代表的是管內(nèi)氣體的氣體分子量；以V 表示與緩沖罐相連的氣缸每轉(zhuǎn)吸或者排出的氣體總凈容積，其單位為m3；公式中的R 代表的是氣缸的級壓比。用上面的公式就可以將往復(fù)式壓縮機(jī)的管系振動(dòng)分析的控制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出來，從而將管系振動(dòng)控制在正常使用的范圍內(nèi)，為往復(fù)式壓縮機(jī)的高效運(yùn)行提供了依據(jù)。

3 往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的控制措施

由于往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的控制主要分兩部分完成，一部分就是關(guān)于管道壓力脈沖的控制，另一部分就是關(guān)于管道振動(dòng)的控制，如果我們能夠?qū)崿F(xiàn)對這兩部分的有效控制，我們就可以有效地延長往復(fù)式壓縮機(jī)的使用壽命，切實(shí)提高往復(fù)式壓縮機(jī)的使用效率。下面著重對這兩部分的控制措施進(jìn)行介紹。

3.1 關(guān)于管道壓力脈沖的控制采取的相關(guān)措施

因?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)的工作主要依靠周期性的吸入和排出氣體實(shí)現(xiàn)的，在往復(fù)式壓縮機(jī)工作的過程中，難免會(huì)形成脈動(dòng)狀態(tài)的氣體，這種脈動(dòng)狀態(tài)的氣體是無法完全消除的，只能依靠相應(yīng)的控制措施進(jìn)行削弱，從而將管系振動(dòng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我們需要先將管內(nèi)產(chǎn)生的氣柱的固有頻率計(jì)算出來，從而確保氣柱的固有頻率與活塞產(chǎn)生的激發(fā)頻率相差較大，避免氣柱由于固有頻率與激發(fā)頻率相近而產(chǎn)生共振。我們可以通過以下幾種方式改變氣柱的固有頻率，例如，適當(dāng)調(diào)整緩沖罐的大小與位置、合理調(diào)整管道的內(nèi)徑與長短、調(diào)節(jié)管系的分支個(gè)數(shù)與位置等，除此以外，我們也可以通過調(diào)整管段的端點(diǎn)條件、孔板的安裝位置以及氣體介質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)等實(shí)現(xiàn)對氣柱固有頻率的調(diào)整，最終達(dá)到將氣柱的固有頻率與激發(fā)頻率保持較大的差距的目標(biāo)。除了需要注意避免氣柱產(chǎn)生共振外，我們還需要合理設(shè)計(jì)緩沖罐的安裝位置，避免因?yàn)榫彌_罐安裝位置不對而產(chǎn)生的管系振動(dòng)。在選擇緩沖罐的安裝位置時(shí)，我們需要注意讓緩沖罐和氣缸盡可能靠近一些，一方面是因?yàn)榫彌_罐的位置靠近氣缸能夠加大氣柱固有頻率與激發(fā)頻率之間的差距，在一定程度上起到了消振的作用，另一方面是因?yàn)榫彌_罐具有調(diào)整氣體流動(dòng)速度的功能，能夠削弱氣柱對管系的沖擊。在控制管道壓力脈沖的過程中，我們還需要合理增設(shè)消振孔板，從而避免壓力駐波的產(chǎn)生，進(jìn)而降低管系的壓力不均勻度，實(shí)現(xiàn)消除往復(fù)式壓縮機(jī)的機(jī)械振動(dòng)的目的?？偠灾?，通過上述幾種方式控制管道壓力脈沖能夠有效延長往復(fù)式壓縮機(jī)的使用年限，提高往復(fù)式壓縮機(jī)的工作效率，為我國的工業(yè)生產(chǎn)效率的提高奠定基礎(chǔ)。

3.2 關(guān)于管道振動(dòng)的控制采取的相關(guān)措施

管系振動(dòng)的控制措施與管道壓力脈沖的控制措施相比而言是比較簡單，在控制管道振動(dòng)的過程中我們需要將管系的氣柱與活塞的激發(fā)頻率以及管系的固有頻率共同構(gòu)成的管系機(jī)械固有頻率計(jì)算出來，通常情況下，低壓管道的機(jī)械固有頻率不會(huì)超過24Hz，而28Hz 及以上的頻率規(guī)定為高壓管道，除此以外，小于等于8MPa 的也可以劃分為低壓管道，反之，則為高壓管道。在管道機(jī)械固有頻率計(jì)算完成后，我們需要適當(dāng)減少管系的轉(zhuǎn)彎，確保管道的柔性符合往復(fù)式壓縮機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)要求，減少轉(zhuǎn)彎還能夠有效降低往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的機(jī)械固有頻率，同時(shí)避免了激振力的增加。除此以外，我們還可以通過在文架處安裝防振管卡的方式降低管道振動(dòng)的頻率，同時(shí)需要在管卡與管卡之間增加石棉橡膠板來確保管卡的正常使用，避免管卡與管卡互相影響。對于管道的安裝來說，我們應(yīng)該將管道安裝的盡量與地面平行，為支架的安裝提供方便，因?yàn)楫?dāng)支架不合理時(shí)很容易導(dǎo)致管道的應(yīng)用出現(xiàn)問題。最后，為了保持機(jī)組的平衡，我們需要盡可能降低轉(zhuǎn)動(dòng)對管系振動(dòng)的影響，確保進(jìn)出口能夠承受緩沖器的作用力，同時(shí)在閥門處安裝合適的支架，確保管系振動(dòng)不會(huì)影響到閥門的正常使用。為了管系振動(dòng)能夠得到良好的控制，我們需要認(rèn)真完成上述工作，為擴(kuò)展往復(fù)式壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

往復(fù)式壓縮機(jī)對于很多領(lǐng)域都有著十分重要的影響，但是管系振動(dòng)的問題限制了往復(fù)式壓縮機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。為了解決上述問題，將往復(fù)式壓縮機(jī)引入更多的領(lǐng)域，我們需要做好往復(fù)式壓縮機(jī)管系振動(dòng)的控制工作，即將往復(fù)式壓縮機(jī)的管系振動(dòng)頻率降低到正常范圍內(nèi)，從而確保往復(fù)式壓縮機(jī)的能夠正常使用，從而努力為社會(huì)的發(fā)展做出更多的貢獻(xiàn)。