淺談往復(fù)式壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)

竇春

摘要：近年來，在我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、社會持續(xù)進(jìn)步的背景下，我國石油化工行業(yè)發(fā)展迅速，與此同時，作為石油化工裝置中的重要設(shè)備，往復(fù)式壓縮機(jī)的應(yīng)用也越來越常見。隨著往復(fù)式壓縮機(jī)應(yīng)用范圍和應(yīng)用深度的不斷增加，往復(fù)式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)問題也不斷突出，以管道的設(shè)計(jì)問題最為常見，如何對管道有效地控振、全面提升管道設(shè)計(jì)質(zhì)量是當(dāng)前亟待解決的問題，只有確保往復(fù)式壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)的有效性，才可保證整個企業(yè)的安全生產(chǎn)。鑒于此，文章從往復(fù)式壓縮機(jī)的管道布置為出發(fā)點(diǎn)，就往復(fù)式壓縮機(jī)附屬管道的振動問題進(jìn)行了探討，并提出了幾點(diǎn)具體的關(guān)于管道控振的設(shè)計(jì)措施，以期對相關(guān)工作的開展有所幫助。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式壓縮機(jī)；管道設(shè)計(jì)；問題；建議

中圖分類號：TQ051.21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

壓縮機(jī)是石油化工裝置中的重要設(shè)備，其在具體的生產(chǎn)過程中實(shí)實(shí)現(xiàn)壓縮氣體、提高氣體壓力的主要途徑。按照工作原理的不同，壓縮機(jī)可細(xì)分為往復(fù)式壓縮機(jī)、回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)、活塞式壓縮機(jī)、膜片式壓縮機(jī)、液環(huán)式壓縮機(jī)等，不同的壓縮機(jī)在性能與適用范圍上有所差異，當(dāng)下以往復(fù)式壓縮機(jī)在石油化工裝置中最為常見，相較于其他壓縮機(jī)，往復(fù)式壓縮機(jī)的最大優(yōu)勢在于技術(shù)成熟、性價比高，而不足則在于運(yùn)行噪音大、管道容易振動等。在裝置大型化的今天，如何在滿足工藝流程的大前提下，充分發(fā)揮往復(fù)式壓縮機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢，避免和解決其中運(yùn)用存在的問題是相關(guān)人員面臨的主要任務(wù)。在這樣的背景下，對往復(fù)式壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究就變得重要且必要了。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)的管道振動分析

通過對往復(fù)式壓縮機(jī)工作時的特點(diǎn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，間歇性吸氣、周期性排氣是其最大特點(diǎn)，因此，在運(yùn)行期間難免會對管道中的流體參數(shù)產(chǎn)生影響，使其出現(xiàn)波動，一般情況下，上述情況可稱為氣流脈動。當(dāng)脈動流體沿管道輸送時，管道的閥門、盲板等部件會在時間變化的激振力下發(fā)生振動，在這期間，管道振幅以及動態(tài)應(yīng)力與壓力脈動之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，即管道振幅以及動態(tài)應(yīng)力將隨著壓力脈動的增加而不斷增加。與此同時，強(qiáng)大脈動流量可能造成閥門的無法正常開啟、關(guān)閉，導(dǎo)致企業(yè)的工作效率降低；另外，若未能夠?qū)ι鲜鰡栴}進(jìn)行及時處理，可能造成系統(tǒng)發(fā)生機(jī)械振動，引發(fā)管道的疲勞損傷問題，嚴(yán)重時，甚至可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。由此可見，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，在進(jìn)行往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)時，尋找有效途徑合理減少流量脈動是關(guān)鍵[1-2]。

導(dǎo)致管道振動的因素較多，共振是另一主要原因，當(dāng)管道中出現(xiàn)氣柱系統(tǒng)時，氣柱本身的固有頻率將與活塞往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生的激發(fā)頻率發(fā)生沖突，進(jìn)而造成管道振動。一般情況下，工程機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率范圍（0.8-1.2倍）經(jīng)常用作諧振區(qū)，當(dāng)氣柱的固有頻率落在激發(fā)頻率的諧振區(qū)域時，系統(tǒng)內(nèi)部將出現(xiàn)明顯大于正常值的氣柱共振壓力脈動；與此同時，若管道系統(tǒng)固有頻率在固有頻率的共振區(qū)域時，結(jié)構(gòu)共振將因此發(fā)生。由上述分析推知，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時，可通過對氣柱和管道系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行調(diào)整的方式來避免共振[5]。此外，設(shè)備本身的振動也是導(dǎo)致管道振動的主要原因之一，如：機(jī)組動平衡性能差、安裝不當(dāng)；底座和軸承設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?，相關(guān)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)給予上述因素必要的重視。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)建議

2.1 管道支撐間距的設(shè)置

原則上，在對往復(fù)式壓縮機(jī)的管道支撐間距進(jìn)行設(shè)置時，為最大限度地防止管道振動而影響生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)振動計(jì)算結(jié)果確定管道支架的間距?？偟膩碚f，管道布局和支撐設(shè)計(jì)是根據(jù)管道規(guī)劃總體過程中的一些原則進(jìn)行的，然后再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行振動計(jì)算，明確管道系統(tǒng)的相同頻率和振幅數(shù)據(jù)，最后逐項(xiàng)分析指標(biāo)值是否滿足要求。一般單位的長度不應(yīng)大于管道公稱直徑的10倍，如果存在項(xiàng)目不符合要求的情況，則通過改變支架間距的方式進(jìn)行調(diào)整，來促使管道系統(tǒng)改變，保證管道系統(tǒng)的固有頻率滿足生產(chǎn)要求。一般來說，為了控制管道系統(tǒng)的固有頻率，外國公司要求管道系統(tǒng)的固有頻率不應(yīng)小于機(jī)器振動頻率的2倍，但最小值管道系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率應(yīng)控制在機(jī)器振動頻率的120%以上。

2.2 管道支架的布置

滿足管道支撐間距的要求后，應(yīng)在以下幾點(diǎn)安裝支架。例如，在管道的轉(zhuǎn)折點(diǎn)或支管處受到脈動氣流的影響將產(chǎn)生大小不同的激振力，此時，為防止管道振動，應(yīng)安裝支架設(shè)置支撐。如果存在過濾器、閥門，由于質(zhì)量集中，應(yīng)在集中質(zhì)量點(diǎn)的兩側(cè)設(shè)置特殊支撐以增加其剛度并增加其固有頻率。此外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮對壓縮機(jī)附近管段的支撐設(shè)置。

在進(jìn)行支架布置時，以工程系統(tǒng)的實(shí)際情況出發(fā)，在企業(yè)各方面條件允許的情況下合理選擇支架類型、確定管道剛度。在確定支架類型時，對管道系統(tǒng)熱膨脹補(bǔ)償?shù)囊笥枰钥紤]，一般情況下，承重支架和導(dǎo)向支架對管道系統(tǒng)剛度的影響較?。欢潭ㄖЪ芸蓪艿老到y(tǒng)剛度產(chǎn)生顯著影響，其能夠同時對管道六個方向的自由度進(jìn)行顯著影響，因而是增加管道系統(tǒng)剛度的有效途徑。此外也要注意到，在壓縮機(jī)的作用下，管道是存在一定的溫度的，盡管溫度不高，但若只采用固定支架進(jìn)行剛度提升，則將難以滿足系統(tǒng)的熱膨脹補(bǔ)償要求，對此，可使用防振管卡作為支架。相較于固定支架，其最大的優(yōu)勢在于允許管道軸向位移，因而能夠?qū)ο到y(tǒng)的高頻振動進(jìn)行有效控制，同時在管道上施加更大的剛度，從而解決熱膨脹補(bǔ)償、防止管道振動[3]。

此外，剛性支架本身的剛度對管道系統(tǒng)的剛度有很大影響，如果支架本身的剛度太小，則支架會隨著管道振動，管道系統(tǒng)的剛度將因此而難以得到有效增加，對此，支架本身也應(yīng)當(dāng)有一定剛度，可采取措施如下：第一，適當(dāng)減小支架高度；第二，合理增加支架重量。對高度無法有效降低的支架，在增加支架重量時，可采取使混凝土基礎(chǔ)的重量遠(yuǎn)大于支架管的重量的方式；另外，在工程中，基礎(chǔ)重量是用于消除振動的常見方式[4]。

2.3 管道布置

往復(fù)式壓縮機(jī)在活塞的往復(fù)運(yùn)動可引起流體脈動，這將導(dǎo)致壓縮機(jī)的入口管和出口管產(chǎn)生振動，此時，如果往復(fù)式壓縮機(jī)管道的振動未得到有效控制，則可能造成機(jī)器損壞，引發(fā)管道破裂甚至更為重大事故。因此，合理的管路布局尤為重要，往復(fù)式壓縮機(jī)的入口管和出口管應(yīng)沿地面布置，盡量減少彎曲次數(shù)；與此同時，適當(dāng)設(shè)置坡度，在操作平臺下，操作平臺兩側(cè)設(shè)置閥門。另外，在布置管路進(jìn)行應(yīng)力分析的過程中，應(yīng)盡可能使用長徑彎頭，盡量不適用可變直徑的管道，防止閥門產(chǎn)生渦流，有效降低管道的激振力水平，從而減少振動造成的危害。與此同時，管道中的平均壓力尸是生產(chǎn)裝置的工藝參數(shù)，主要取決于工藝操作要求，通常不適合改變，但壓力不均勻可以通過局部瞬時高壓的方式來進(jìn)行調(diào)整，降低孔板下流管道中的峰值壓力可有效減小壓力的不均勻性。安裝孔板時應(yīng)注意開孔率，孔板厚度控制在3～5mm之間，壓降不應(yīng)超過管道平均壓力的0.25%。如果管道要用蒸汽吹入，并且蒸汽溫度高于中等溫度，則應(yīng)根據(jù)蒸汽溫度考慮管道的靈活性，經(jīng)過管道振動分析和設(shè)計(jì)后，應(yīng)進(jìn)一步檢查管道的靜應(yīng)力、壓力脈動和其他荷載，保證產(chǎn)生的綜合應(yīng)力不超過管道的許用應(yīng)力值。

3 結(jié)語

綜上所述，往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)是導(dǎo)致管道振動的主要原因，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時，為盡可能地避免管道振動，就應(yīng)當(dāng)在滿足工藝要求的前提下，對往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制，通過管道布置、支架設(shè)置等方式進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化，以有效的解決壓縮機(jī)管道振動的問題，保證生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]續(xù)雯雯.淺談往復(fù)式壓縮機(jī)管道的振動分析和防振設(shè)計(jì)[J]科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2015（8）：147-148.

[2]楊陳博.往復(fù)式壓縮機(jī)的布置及管道防振設(shè)計(jì)[J].山東化工，2016（12）：135-136.

[5]楊華.6M80型往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)[J].廣州化工，2016（6）：113-115..

[4]劉俊.ZQ14081601：往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)[J].化工管理，2015（20）：11-12.

[5]張世偉.往復(fù)式壓縮機(jī)管道的振動分析與防止[J].山東化工，2017（1）：79-81.