離心壓縮機回流管線振動分析與解決方法

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

CO2壓縮機是化肥廠最重要的核心設(shè)備之一，其安全有效運行對于工廠至關(guān)重要，管道的劇烈振動，將使得管道結(jié)構(gòu)、管路附件以及管道的連接部位疲勞損壞、松動和破裂。其噪聲的增大，會嚴重影響生產(chǎn)安全和工作人員的身心健康。

1 現(xiàn)場振動情況介紹和測量

某現(xiàn)場CO2壓縮機有4個管口、2段壓縮，壓縮機運行參數(shù)見表1，出口管道走向和振動測點布置見圖1，每處測點測量徑向和軸向兩個方向，1點為壓縮機出口。管道有3處分支，一處為送到其他裝置使用，一處為4段壓縮出口回3段壓縮的回流管線，平時處于關(guān)閉狀態(tài)，最后一段為放空管線，一般在開車時使用，也處于關(guān)閉狀態(tài)。實際現(xiàn)場見圖2，在現(xiàn)場能明顯感覺整個鋼格柵板都在振動。通過對各測點進行測量，可得振動速度的有效值(見表2)。

表1 壓縮機實際運行數(shù)據(jù)

圖1 測點布置

圖2 實際現(xiàn)場

表2 各測點振動數(shù)據(jù)

2 數(shù)據(jù)分析和原理說明

通過表2可以看出，振動在1點處較小，此后開始逐漸增大，在7、9、11點處達到最大，然后在13、14點處開始變小，即管線在壓縮機出口振動很小，在到達閥組和三通后振動急劇增大，經(jīng)過分支和閥組后，振動逐漸減小。對典型測點的頻譜進行分析，圖3顯示了1點、4點和7點的振動速度的頻譜。1點是離心壓縮機出口，振動速度為0.7mm/s，振幅很小，此時轉(zhuǎn)速為9 975r/min，對應(yīng)頻率為166.25Hz，而最大點處頻率為88.75Hz，并不是轉(zhuǎn)速的半頻，還有145Hz，也不是轉(zhuǎn)速頻率成分。4點處振動明顯變大，達到了9.753mm/s，其主要頻率為85Hz，7點格柵板處振動最大，其主要頻率為85Hz。同時還測量了回流管線和放空管線的振動情況，其中，回流管線振動較為強烈，放空管線振動幅度不大，根據(jù)現(xiàn)場感受振動情況，其振幅出現(xiàn)了不同程度波動，時大時小，而在測量的這段時間，其頻率變化最大為5Hz，如果是轉(zhuǎn)速引起的變化，其轉(zhuǎn)速應(yīng)在±150r/min，而這是不可能的，同時壓縮機運行平穩(wěn)，振動一直處于非報警狀態(tài)，故排除是由壓縮機氣流激振引發(fā)的振動，即這次的振動不是由于離心壓縮機機排氣波動造成的。同時由于無其他激勵源，故認為振動來自于流體流經(jīng)管道產(chǎn)生的激勵。

國外稱這類振動為流體誘導(dǎo)激發(fā)FIV[3](FLOW INDUCED VIBRATION)，常見于離心壓縮機管內(nèi)流體流徑三通、閥門等位置產(chǎn)生的渦流(見圖4)，激發(fā)管道機械或氣體共振，這類振動也常在換熱器管道中發(fā)生。這類問題具有很強的不確定性和復(fù)雜性，特別是與管道流量息息相關(guān)，但由于生產(chǎn)的多變性，導(dǎo)致振動問題經(jīng)常出現(xiàn)。而管線建成后，這類聲學(xué)振動問題難以通過簡單的加固支架來解決。為此，需要對離心壓縮機管道進行專門的聲學(xué)和激勵源分析。

3 振源和管道固有頻率分析

氣流流過物體表面的缺口或空腔時，由于腔外剪切流與腔內(nèi)流動相互作用，常會出現(xiàn)自持振蕩現(xiàn)象，并產(chǎn)生強烈噪聲。該問題涉及到流體力學(xué)中許多基本問題，如非定常流、流動不穩(wěn)定性、聲與流動的相互作用等，是流體力學(xué)中令人感興趣的問題之一[4]。

當(dāng)流體流經(jīng)管道盲段時，在接口處產(chǎn)生旋渦，產(chǎn)生的旋渦會進入盲段，相當(dāng)于激勵源激勵盲段的氣體[5]，當(dāng)氣體頻率與管道這段的氣柱固有頻率或機械固有頻率接近時，旋渦激勵會呈指數(shù)倍增加，導(dǎo)致管道振動與噪聲增加。

Blake(1986)，Rockwell 和Naudascher (1978)等通過實驗對其激發(fā)頻率進行研究，得到其關(guān)系為：

其中，U為流速m/s，L為盲段內(nèi)徑mm。

對于一段開口一段封閉的管道，其聲學(xué)固有頻率計算公式為：

其中，c為流體在管道內(nèi)傳播的聲速，H為管道長度。

通過計算可知，管道激振頻率fn=16.9Hz，n=1，現(xiàn)場振動頻率基本為85Hz，為其整數(shù)倍，處于其倍頻段80%～120%的區(qū)間內(nèi)。需要改變管道的響應(yīng)結(jié)構(gòu)來根本上解決其振動問題。

分別通過CAESAR Ⅱ軟件和bentley plus軟件計算管道機械和氣柱固有頻率，計算結(jié)果見表3、表4。表4計算的為回流管線的氣柱固有頻率，一段是帶流量閉端，另一端為全閉端，模擬流體盲段激勵。從表3、表4可以看出，振動頻率85Hz對于管道的固有頻率已相對較高，固有頻率階次也較高，在高階次是不容易避開激勵頻率的，并且由于計算誤差，會將計算頻率增加20%的誤差，工程上常采用80%～120%區(qū)間進行共振避開，據(jù)此通過改變管道固有頻率來降低振動的可行性已被否定。管道CAESARⅡ模型見圖5，管道氣柱模型見圖6。

圖3 1、4、7點振動頻譜

圖4 流體激勵原理

圖5 管道CAESAR Ⅱ模型

圖6 管道氣柱模型

表3 管道機械結(jié)構(gòu)固有頻率

表4 管道氣柱固有頻率

由于單獨改變其固有頻率很難完全避開其激發(fā)頻率，國外學(xué)者Franke[6]通過改變?nèi)ńY(jié)構(gòu)來改善其流道結(jié)構(gòu)(見圖7)。通過改變?nèi)ńY(jié)構(gòu)，可以有效降低其振動噪聲，來降低其振動幅度。同時可以在管道內(nèi)加裝導(dǎo)流裝置(見圖8)。

圖7 不同三通結(jié)構(gòu)噪聲對比

圖8 彎頭和球閥處導(dǎo)流片

4 整改措施

經(jīng)過仔細分析和現(xiàn)場考察，決定從3個方面進行整改：①根據(jù)文獻6的思路，在2個三通進入盲段處增加法蘭，在法蘭處加裝多孔孔板，孔板形式與降噪板類似；②在回流管線上增加孔板，孔板法蘭后開始變徑到DN250，并新增剛性支架(見圖9)；③在多處增加阻尼器，并在第二層平臺上增加斜鋼梁，以增加平臺剛度。

業(yè)主采納這一方案，并在大修時進行改造，開車后振動明顯降低，第二層樓板振感明顯減小消失，減振效果明顯。

圖9 管道改造方案

5 結(jié)語

針對某廠CO2壓縮機出口管道振動問題，通過現(xiàn)場測量，分析振動原因是由于渦流激發(fā)盲段氣柱共振導(dǎo)致，并計算其激振頻率和管道機械和氣柱固有頻率。通過查閱國外文獻，尋找其解決方案，并創(chuàng)新性地在管道上安裝導(dǎo)流裝置，取得良好減振效果。通過對離心壓縮機的各項分析，說明其減振工作應(yīng)進行科學(xué)分析，盲目加固和增加支架并不能有效解決問題，需要從根源找到其原因，選擇最優(yōu)方案，并且結(jié)合多種方式，以達到最佳減振效果。