往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)原因分析及減振措施探討

李元豐

摘要：往復(fù)式壓縮機(jī)氣體管道振動(dòng)是管道設(shè)計(jì)和機(jī)器運(yùn)行中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，往往影響到設(shè)備裝置的正常運(yùn)行，并嚴(yán)重威脅著工廠的安全生產(chǎn)。本文分析了通常引起往復(fù)式壓縮機(jī)氣體管道振動(dòng)的原因及常見(jiàn)的減振方法。通過(guò)對(duì)一起往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)實(shí)例分析，針對(duì)原因提出合理的減震措施。實(shí)施后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況良好，振動(dòng)有明顯改善。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式壓縮機(jī);氣體;管道振動(dòng);原因;減振措施

管道內(nèi)工作介質(zhì)為氣體的稱為氣體管道，動(dòng)設(shè)備以及靜設(shè)備是通過(guò)管道串聯(lián)成工藝流程的，它主要起輸運(yùn)、傳遞介質(zhì)的作用。往復(fù)式壓縮機(jī)在石油、化工、冶金、紡織、動(dòng)力等部門中應(yīng)用非常廣泛，氣體管道是壓縮機(jī)裝置中最主要的系統(tǒng)之一。往復(fù)式壓縮機(jī)管道的振動(dòng)是管道設(shè)計(jì)和機(jī)器運(yùn)行中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，往往影響到裝置的正常運(yùn)行。在生產(chǎn)實(shí)際中，由于強(qiáng)烈地管道振動(dòng)，將會(huì)使管路附件，尤其是管道的連接部位、管道與附件的連接部位和管道與支架的連接部件等處發(fā)生磨損、松動(dòng);在振動(dòng)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下，導(dǎo)致疲勞破壞，從而發(fā)生管線斷裂、介質(zhì)外泄，甚至引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，給生產(chǎn)和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此分析其振動(dòng)原因及消振措施，很有必要。本文對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)氣體管道振動(dòng)原因進(jìn)行了簡(jiǎn)單地分析，并針對(duì)往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題提出了具體地減振措施。通過(guò)減振措施的實(shí)施，機(jī)組運(yùn)行情況明顯改善，振動(dòng)減小。

1 管道振動(dòng)分析使用的控制標(biāo)準(zhǔn)

往復(fù)式壓縮機(jī)管系的振動(dòng)分析應(yīng)滿足：

（1）滿足美國(guó)石油學(xué)會(huì)API618標(biāo)準(zhǔn)脈動(dòng)控制要求，保證壓縮機(jī)管系氣流脈動(dòng)不超過(guò)允許值。

（2）根據(jù)美國(guó)普渡壓縮機(jī)技術(shù)協(xié)會(huì)關(guān)于機(jī)械振幅要求，保證機(jī)械振動(dòng)全振幅不超過(guò)允許值。

美國(guó)石油學(xué)會(huì)制訂的APl618標(biāo)準(zhǔn)，從量上規(guī)定了對(duì)壓力脈動(dòng)和振動(dòng)控制的設(shè)計(jì)要求。

2 壓縮機(jī)氣體管道振動(dòng)原因分析

壓縮機(jī)氣體管道系統(tǒng)主要有3個(gè)振動(dòng)源：一是管道內(nèi)氣柱的振動(dòng);二是氣流壓力脈沖在管件處沖擊振動(dòng);三是管道的機(jī)械振動(dòng)。

2.1 氣柱共振

往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于吸氣、排氣是交替和間斷性的，另外活塞運(yùn)動(dòng)的速度又是隨時(shí)間變化的，這種現(xiàn)象就會(huì)引起壓力脈動(dòng)。當(dāng)壓縮機(jī)的激發(fā)頻率 進(jìn)人氣柱固有頻率的區(qū)域時(shí)，就會(huì)使管道的氣柱處于共振狀態(tài)，氣流脈動(dòng)非常嚴(yán)重，引起管道甚至壓縮機(jī)和基礎(chǔ)的強(qiáng)烈振動(dòng)。

2.2 氣流壓力脈沖在管件處沖擊振動(dòng)

往復(fù)式壓縮機(jī)的氣流壓力脈動(dòng)除了可能引起氣柱共振之外，管道中的壓力和速度波動(dòng)在管道的轉(zhuǎn)彎處、截面變化處和各種閥件、盲板處還可能產(chǎn)生沖擊作用，引起管道振動(dòng)和噪聲。在急轉(zhuǎn)彎引起的激振力最大，應(yīng)盡量避免急轉(zhuǎn)彎，力求轉(zhuǎn)彎半徑盡可能地大。

2.3 壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)對(duì)氣體管道的影響

壓縮機(jī)主機(jī)振動(dòng)通常是由于活塞組存在往復(fù)慣性力及力矩的不平衡、旋轉(zhuǎn)慣性力及力矩不平衡、連桿擺動(dòng)慣性力的存在、傾覆力矩的存在以及機(jī)器重心的周期性的移動(dòng)和切向力的不均勻等各種復(fù)雜合力的作用。使壓縮機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，是引起管道振動(dòng)的主要原因。管道振動(dòng)的另一個(gè)原因是管路結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)管路、管路附件、容器、支架等構(gòu)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在受到激發(fā)后就會(huì)作出機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)。對(duì)于管路的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，也有一系列固有頻率。當(dāng)激發(fā)頻率與某一階機(jī)械振動(dòng)固有頻率相重合或接近時(shí)，則管路系統(tǒng)將呈現(xiàn)出最大的振動(dòng)響應(yīng)，形成強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，這就是管路機(jī)械共振。當(dāng)激發(fā)頻率等于氣柱固有頻率，又等于管路的機(jī)械固有頻率時(shí)，則氣柱和管道均處于共振狀態(tài)，導(dǎo)致管道發(fā)生更強(qiáng)烈振動(dòng)。管道系統(tǒng)在各種不同型式的支承方式及質(zhì)量分情況下，可以用分析的方法計(jì)算得到各級(jí)壓縮的固有頻率。

如何區(qū)分氣流脈動(dòng)引起的振動(dòng)和管路機(jī)械振動(dòng)，一般也比較容易。氣流脈動(dòng)引起的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致很遠(yuǎn)處的管道及主機(jī)的振動(dòng);而主機(jī)動(dòng)力不平衡引起的振動(dòng)只發(fā)生在機(jī)器附近的管道。可通過(guò)檢測(cè)主機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)情況判斷，若空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)管道及主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，而加負(fù)載后振動(dòng)明顯，說(shuō)明管道振動(dòng)肯定是由于氣流脈動(dòng)引起的。

3 壓縮機(jī)氣體管道控制振動(dòng)方法

復(fù)雜管道系統(tǒng)一般由直管、彎管、緩沖器、油水分離器、冷卻器、支撐等組成，故管路中只要有氣流脈動(dòng)存在，就有激振動(dòng)力的產(chǎn)生，并導(dǎo)致管路振動(dòng)。為防止發(fā)生振動(dòng)或減小振動(dòng)，常采取以下措施：

（1）減小氣流脈動(dòng)。減小氣流脈動(dòng)的方法比較多，現(xiàn)介紹幾種常用的方法：a.合理地配置氣缸、附屬設(shè)備及管道。通過(guò)改變管路的長(zhǎng)度、管徑、容器的大小及位置均可調(diào)整氣柱固有頻率，以求避免氣柱共振;b.設(shè)置緩沖器。行程容積15倍的空腔，猶如一只柔軟的彈簧，起到隔離振動(dòng)源的作用。緩沖器一般安裝在氣缸附近;有的在緩沖器內(nèi)安裝一個(gè)芯子元件，以衰減壓力脈動(dòng)，效果比較理想;c.安裝孔板減振。在壓縮機(jī)管路的適當(dāng)部位安裝孔板是消減現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)的有效措施。但孔板必須保持銳利的棱角，且孔板應(yīng)安裝在節(jié)點(diǎn)處，即壓力脈動(dòng)值等于零或近似等于零的地方。一般在大容器的進(jìn)氣口或排氣口結(jié)合處，切忌隨意安裝孑L板，因?yàn)殒軱板是一個(gè)阻力元件。

（2）盡量減少管路彎頭的數(shù)量，避免急轉(zhuǎn)彎（180。轉(zhuǎn)彎），且彎頭的圓孤半徑要大，同時(shí)要進(jìn)行固定，即避免空間轉(zhuǎn)彎。這是為了減小產(chǎn)生激振動(dòng)場(chǎng)所，從而緩解機(jī)械振動(dòng)。

（3）防止管路產(chǎn)生機(jī)械共振，通過(guò)改變調(diào)整管路的走向、支撐位置、支撐結(jié)構(gòu)、管路結(jié)構(gòu)尺寸等方式，調(diào)整管路的固有頻率。

（4）調(diào)整壓縮機(jī)平衡度，使壓縮機(jī)主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在振動(dòng)比較嚴(yán)重的管路上可安裝附加重量一消減器，以改變振動(dòng)系統(tǒng)的自由度及固有頻率值。

（5）對(duì)于兩相流引起的管道振動(dòng)。解決方案：

①工藝操作：工藝操作條件、管內(nèi)介質(zhì)的流速、管徑選擇上應(yīng)盡量避免出現(xiàn)塊狀流和塞狀流;②管道的布置：應(yīng)盡量減少?gòu)濐^個(gè)數(shù)，并考慮采用大半徑彎頭，以減少?zèng)_擊;

③支架的設(shè)置：應(yīng)盡量采用支架，不宜采用吊架，并在適當(dāng)?shù)牟课辉O(shè)置導(dǎo)向架和限位架，且應(yīng)具有足夠的剛度。

（6）對(duì)于喘振引起的管道振動(dòng)。對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，喘振便會(huì)停止。

（7）對(duì)于機(jī)器本身振動(dòng)引起的管道振動(dòng)。從機(jī)器本身、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工缺陷上找原因。

4 實(shí)例分析

往復(fù)式壓縮機(jī)在多晶硅生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。在多晶硅尾氣回收過(guò)程中壓縮機(jī)主要承擔(dān)著氫氣增壓的作用。我們?cè)趬嚎s機(jī)安裝完成后對(duì)機(jī)組進(jìn)行機(jī)械試車時(shí)機(jī)組的振動(dòng)小，在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，最大振動(dòng)在10mm/s以內(nèi)。機(jī)械試車振動(dòng)值如下表：

在氮?dú)庠囓嚂r(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)增大（入口壓力1.7bar，出口壓力2.7bar），最高達(dá)到了23mm/s。經(jīng)過(guò)入口管道增加支架后發(fā)現(xiàn)振動(dòng)明顯減?。ㄈ肟趬毫?.7bar，出口壓力2.7bar），最大振動(dòng)減小至了10mm/s。改善后氮?dú)庠囓囌駝?dòng)值如下：

在其后的負(fù)荷試車時(shí)（入口壓力3.66bar，出口壓力13.8bar）發(fā)現(xiàn)機(jī)組的振動(dòng)明顯增大，最大達(dá)到20mm/s。負(fù)荷試車時(shí)振動(dòng)值如下：

首先我們分析振動(dòng)是氣流脈動(dòng)引起的還是壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)引起的。壓縮機(jī)機(jī)械、氮?dú)庠囓嚕瑲怏w管道非常平穩(wěn)，振動(dòng)較小;加負(fù)載后，氣體管道振動(dòng)振幅立刻明顯變大。由此可以推斷，氣體管道振動(dòng)與氣流脈動(dòng)有關(guān)。我們對(duì)氣流脈動(dòng)分析進(jìn)行了重新計(jì)算，分析認(rèn)為氣流脈動(dòng)合乎要求。

在調(diào)試過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)停止壓縮機(jī)的振動(dòng)也達(dá)到了4mm/s，我們認(rèn)為可能與機(jī)組共振有關(guān)系。在四臺(tái)機(jī)組周圍增加隔斷后，停止壓縮機(jī)的振動(dòng)明顯減小。

針對(duì)壓縮機(jī)負(fù)載加大后，入口緩沖罐的振動(dòng)、軸向振動(dòng)加大的情況。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析認(rèn)為引起振動(dòng)的原因在于入口管道振動(dòng)引起，同時(shí)入口緩沖罐的基礎(chǔ)施工存在問(wèn)題。在對(duì)入口管線增加固定支架后，振動(dòng)值減小至15mm/s。

增加支架后振動(dòng)值如下表：

同時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)管道拐彎個(gè)數(shù)較多，其中直角轉(zhuǎn)彎個(gè)數(shù)較多。增大管道拐彎圓弧半徑，增大拐彎角度，避免直角拐彎但管道已成型，改動(dòng)太大未進(jìn)行改造。按照上述可行方法對(duì)壓縮機(jī)氣體管道系統(tǒng)進(jìn)行整改，整改后振動(dòng)明顯減小，效果較好。

5 結(jié)論

（1）往復(fù)式壓縮機(jī)管道的振動(dòng)是機(jī)器運(yùn)行時(shí)經(jīng)常遇到的問(wèn)題，其原因主要有三種：一是管道內(nèi)由于壓縮機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成的氣流脈動(dòng)所產(chǎn)生的氣柱振動(dòng);二是氣流脈動(dòng)在管件彎頭等處對(duì)管路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊振動(dòng);其次是管道的機(jī)械振動(dòng)。首先分析振動(dòng)原因有助于簡(jiǎn)化程序，合理采取防振措施。

（2）在管路中，當(dāng)氣流脈動(dòng)及各干擾頻率系統(tǒng)的固有頻率相同或相近時(shí)，會(huì)引起共振，這是造成管路振動(dòng)超常的主要原因。

（3）在基礎(chǔ)施工過(guò)程中，必須對(duì)機(jī)組周圍增加隔斷減少共振引起的振動(dòng)增大。

（4）在壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)初期要減少?gòu)濐^的數(shù)量，減小產(chǎn)生激振動(dòng)場(chǎng)所。

（5）在壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)工藝介質(zhì)的情況準(zhǔn)確計(jì)算氣流脈動(dòng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響，在合適的位置增加限流孔板減小振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

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