往復(fù)壓縮機管道減振技術(shù)的應(yīng)用

徐 賽，楊力蘇，呂 雪，王梓鑒，喻迪垚，孫 斌

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧遼陽 111003）

0 引言

往復(fù)壓縮機是一類重要的過程流體機械，隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，在煉化企業(yè)應(yīng)用十分廣泛。往復(fù)壓縮機的管道振動是化工裝置的一種常見問題，受到越來越廣泛的重視。嚴重的管道振動與其造成的后果，威脅著裝置的安全生產(chǎn)。管道振動時所產(chǎn)生的交變應(yīng)力，會引發(fā)管線的疲勞損傷，振動所產(chǎn)生的位移會導(dǎo)致連接件的松動和磨損，引發(fā)管線的松脫、掉架，嚴重時甚至?xí)l(fā)生管線撕裂，造成泄漏、燃燒及爆炸等嚴重的次生災(zāi)害。因此，研究往復(fù)壓縮機管道振動的狀況及原因，并進行有效的消減，對安全生產(chǎn)有著極為重要的意義。

1 問題的提出與分析

遼陽石化公司油化運行部PSA 裝置設(shè)膜分離工段和PSA工段，其膜分離工段采用大連理工大學(xué)開發(fā)的高壓膜分離氫氣技術(shù)。以煉油運行部混合干氣、芳烴運行部PSA 解吸氣以及本裝置PSA 解吸氣、汽油加氫裝置分餾塔頂氣、渣油加氫裝置汽提塔頂氣為原料，經(jīng)過混合解吸氣壓縮機壓縮、氫氣膜分離、滲透氣壓縮后生產(chǎn)滲透氣送往PSA 工段提純，滲余氣送入公司燃料氣管網(wǎng)。

混合解吸氣壓縮機由沈陽遠大壓縮機股份有限公司制造，2018 年7 月份投產(chǎn)。機組采用對稱平衡型往復(fù)式，四列二級壓縮，氣缸為臥式雙作用，氣缸進、排氣口均按上進、下出布置。壓縮機由電機驅(qū)動，曲軸轉(zhuǎn)數(shù)為300 r/min，活塞的平均速度為3.5 m/s。氣缸、活塞和填料函按無油潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計，氣缸采用除鹽水強制冷卻。A 機采用HydroCOM 無級氣量調(diào)節(jié)，B 機氣量調(diào)節(jié)采用頂開吸氣閥卸荷器作氣量調(diào)節(jié)（圖1）。

圖1 機組概貌

壓縮機運行期間，機組曲軸箱、各氣閥振動合格，最高振值6.4 mm/s，符合標準要求。但系統(tǒng)管系振動嚴重，采用VM63 手持式測振儀現(xiàn)場測試，一級出口總管、二級進出口管道振值較高，二級進出口管線振動尤為劇烈。壓縮機一級入口管線為DN600，該條管道振動良好，振動速度約2.3 mm/s；經(jīng)壓縮機壓縮后一級出口管線為DN400，管道振動速度增大5～7 mm/s；壓縮機二級入口管線為DN300，振動速度為7～8 mm/s；壓縮機二級出口管線為DN150，其振動速度為14～16 mm/s，各測點振值見表1。

表1 機組各測點振動值 mm/s

對出入口管道進行勘查，分析現(xiàn)場管線的排布及振動情況。根據(jù)現(xiàn)場管線的排布，以及在使用過程中結(jié)合混合解吸氣壓縮機的運行工況分析，該混合解吸氣壓縮機管路振動主要由氣流脈動引起。由于其自身的結(jié)構(gòu)形式，往復(fù)壓縮機的吸排氣流有著周期性和間歇性變化的特點，這不可避免地會使系統(tǒng)管路內(nèi)的氣體產(chǎn)生脈動。脈動的氣流沿管道輸送時，會產(chǎn)生變化的激振力，受到該激振力的影響，管道產(chǎn)生機械響應(yīng)，壓力脈動越大、管道的振動響應(yīng)越大。管道上產(chǎn)生的應(yīng)力與振幅直接相關(guān)，過大的振動會使得管道和接管的焊口、接管座、疏水管道、連接線、信號線、溫度和壓力測點等連接部位疲勞開裂導(dǎo)致泄漏，如長期不安全運行會對管道和相關(guān)設(shè)備造成威脅，該機組曾發(fā)生過因管系振動過高小接管斷裂的事件。

2 管道減振措施

當管道存在明顯的振動現(xiàn)象時，應(yīng)及時對管道進行目測檢查，記錄發(fā)生振動的時間、頻率、振值、支吊架和管道附件是否損壞失效、管道是否變形等。分析振動原因并采取相應(yīng)的措施，應(yīng)注意的是，盡量避免使用剛性約束固定管道，以免使振動轉(zhuǎn)移到內(nèi)部造成損傷。常用的管道減振方式主要有以下4 種：

2.1 在特定位置設(shè)置孔板

孔板是一種阻力原件，氣流在經(jīng)過孔板時會發(fā)生能量損失，從而使氣流的脈動下降，不同尺寸的孔板對應(yīng)著不同的局部損失系數(shù)。對于設(shè)備管系來說，一般將孔板設(shè)置在脈動較大的位置。在選用孔板時，孔板的厚度、孔徑、材料應(yīng)作為重要因素來考慮，避免安裝后造成氣體截流、孔板損壞、或腐蝕等附加問題的發(fā)生。

2.2 優(yōu)化管道的布置形式或尺寸

壓縮機在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到在不同工況下的的氣流脈動情況，特別是在無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的今天，更應(yīng)核算不同氣量對機組及管系振動的影響。核算管系振動模態(tài)，應(yīng)盡量避免氣柱頻率落在其固有頻率范圍內(nèi)。此外，由于標準管件本身強度較高，壓縮機的主要工藝管道應(yīng)盡量采用標準管件，對于儀表接管、三通等不能使用標準管件的位置，應(yīng)采取適當?shù)难a強措施。

2.3 合理設(shè)置管道支撐

常用的管道支撐按照用途分為滑動支架、固定支架、導(dǎo)向支架等。其設(shè)計、施工應(yīng)符合GB/T 17116—2018《管道支吊架 第1部分：技術(shù)規(guī)范》的要求。管道支撐件應(yīng)盡量采用獨立基礎(chǔ)，避免設(shè)置在框架、廠房的結(jié)構(gòu)梁上，以防發(fā)生共振。另外管道支架需要不等間距布置，其差值一般取100～200 mm，2 個支架的間距一般不大于3 m，支架上應(yīng)設(shè)置防振管卡。此外，嚴禁用剛性約束的方式加固管線，以避免應(yīng)力集中，造成局部撕裂。

2.4 采用阻尼減振器

阻尼減振器，是通過將管道振動的動能轉(zhuǎn)化為阻尼液的熱能來進行減振，是一種有效的柔性減振裝置。它的特點是，在管道的所有自由度上都能產(chǎn)生阻尼和減振的效果；對沖擊性載荷產(chǎn)生較大的阻尼，對微小振動也會產(chǎn)生阻尼效果；阻尼響應(yīng)迅速，無時間延遲；阻尼液性能穩(wěn)定、壽命長，全周期免維護。

阻尼器隔振原理為：上連接板通過管夾附件跟管道連接在一起，下連接板固定在鋼梁或基礎(chǔ)上，阻尼液吸附在柱塞的外表面和外殼體的內(nèi)壁上，管道振動時帶動上連接板和柱塞同步振動，柱塞對阻尼液產(chǎn)生擠壓和拉伸，受擠壓和拉伸的阻尼液會將產(chǎn)生熱量，將管道振動的動能轉(zhuǎn)化為熱能（圖2）。

圖2 阻尼減振器示意

在設(shè)計上，管道系統(tǒng)應(yīng)同時滿足剛度和強度兩方面要求。剛度決定了管道系統(tǒng)的固有頻率，剛度越大，固有頻率越高。對于管道系統(tǒng)，其走向、彎頭及三通數(shù)量、管徑、壁厚及支撐狀況都會影響到系統(tǒng)的剛度。通常情況下，管徑、壁厚條件不易改變，改變系統(tǒng)剛度主要通過調(diào)整管道走向及管道支撐來實現(xiàn)。而在這兩者中，通過增減管道支撐以調(diào)整管道的固有頻率，以避開激振力中的低頻成分，從而降低管道的振動，是應(yīng)用較為廣泛，且經(jīng)濟性較好的調(diào)整方法。

通常解決管系振動的方法是增設(shè)限位來阻止管系振動，但這樣會大幅度增加管系的振動頻率，而且使管系的振動位置發(fā)生轉(zhuǎn)移。采用阻尼器可以很好地解決管系振動問題，因為阻尼器主要是依靠活塞在阻尼液中的剪切和擠壓作用產(chǎn)生阻尼力，阻尼力大小與振動的速度基本成正比，而且屬于柔性阻尼，不會引起管系振動位置發(fā)生位移。

該混合解吸氣壓縮機管道振動的解決思路為，不改變管道系統(tǒng)的走向、外徑、壁厚及原有原支吊架的位置，在合適的位置增加阻尼減振器，在不改變系統(tǒng)剛度的情況下增大阻尼，減小管道對低階激振力的響應(yīng)，以減小管道的振動和晃動。經(jīng)計算，擬在機組4 個位置安裝阻尼減振器：

（1）隔振點1：利用現(xiàn)有兩側(cè)立柱，將兩立柱通過型材連接在一起，增加鋼架的強度。

（2）隔振點2：彎頭處介質(zhì)流速變化快，對管道產(chǎn)生激振力相對更明顯。

（3）隔振點3：壓縮機安裝在高位時，相關(guān)管道與支撐鋼梁之間形成共振，需要改變管道的固有頻率，從而避免共振的發(fā)生。

（4）隔振點4：管道在匯集位置處流動會發(fā)生急劇變化，豎直管段流出的介質(zhì)會沖擊水平管段的介質(zhì)，這樣在匯集位置會產(chǎn)生流動混亂的紊流，從而產(chǎn)生激振力，在靠近三通位置加裝阻尼器（圖3）。

圖3 現(xiàn)場安裝效果

安裝阻尼減振器后，機組投用至正常負荷，采用VM 63 A手持式測振儀現(xiàn)場測試，管線振幅大幅下降，系統(tǒng)最大振幅8.9 mm/s，符合ISO 20816 標準中A 區(qū)振幅的要求。壓縮機投入生產(chǎn)并校核運行6 個月，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各工況下振值均滿足生產(chǎn)要求。各測點的振動值對比見表2。

表2 安裝阻尼器前后管線振動值對比 mm/s

3 結(jié)束語

由往復(fù)壓縮機的工作特點可知，管道振動是不可避免的，管道的振動嚴禁采取強制剛性約束等“簡單粗暴”的法進行隔振和消振。在本案例中，氣流脈動是管道振動的內(nèi)因，管道的結(jié)構(gòu)是引起振動的條件，通過測試、分析和計算，采用適當?shù)姆绞竭M行減振，使壓縮機達到理想工況，對于壓縮機組和管道系統(tǒng)的安全運行有著重要意義。