浅析往复式压缩机管系振动的控制

2015-07-18周少成中国石油西气东输管道公司上海200122

中国新技术新产品 2015年12期

周少成（中国石油西气东输管道公司，上海　200122）

浅析往复式压缩机管系振动的控制

周少成
（中国石油西气东输管道公司，上海200122）

往复式压缩机在管系设计、安装及应用的过程中存在严重的管系振动问题，因此研究如何控制往复式压缩机管系的振动变得至关重要。本文通过对往复式压缩机管系振动的原因分析，提出了三种减振措施，以便将管系振动控制在一定阈值范围内，保证往复式压缩机管系正常工作。

往复式压缩机；管系振动；减震措施

往复式压缩机属于容积型压缩机，其通过气缸内活塞的往复运动使压力升高，但内部气体的进入与排出都是脉动流动特性，这样会造成进出口管道的脉冲性振动。因此，输气管道的振动，是压缩机安全运行的重大障碍。1996年，新疆吐哈油田丘陵液化石油气厂从美国引进4台燃气往复式16SGT/W74型天然气压缩机，在1996年12月投用后，进出口管道的振动异常严重，导致系统多次出现故障。所以，解决往复式压缩机管系振动的问题对于生产运行有着重要意义。

1　往复式压缩机管系振动的原因分析

解决往复式压缩机管系振动问题的第一步，就是要对造成管系振动的原因进行分析。往复式压缩机是一种典型的容积式压缩机，活塞的往复运动使得其工况具有间歇性、周期性的特点。1.1 平衡不合格或设计不当引起的振动。一般情况下，合格的往复式压缩机在出厂前必须满足一定的设计条件，使各部件的作用力、惯性力、力矩及惯性矩处在动平衡的状态，从而保证其在正常的设计振动范围内。若设计不当、安装不符合要求，会使产生的振动传递到管道上，这样将导致管道的局部应力过于集中，产生疲劳裂纹，造成管系振动。

1.2 气流脉动引起的振动。往复式压缩机的工作原理是吸气流和排气流间歇性、周期性地不断变化，会使进出口管道内的流体呈脉动状态，从而使管道内的流体参数随着时间及位置的变化而产生气流脉动。高压管道内所输送的气流气压和气流流速在往复式冲击载荷的作用下也具有压力不均匀的特点。这种特点可以用压力不均匀度来描述，将压力不均匀度定义为气体压力幅值与均值的之比，其表达式为：

δ=（Pmax-Pmin）/P0×100%

式中：Pmax—最大压力值；Pmin—最小压力值；P0—平均压力值。

这种评述指标存在其固有的缺陷，因为压力不均匀度只能反映不同压力条件下的要求。根据流体力学原理，此时的流速会随着管径变小而急剧上升，会对管道造成严重冲击。同理，针对内径相同的管道，如果往复式压缩机的活塞以更高的频率工作，当该工作频率作用于气流，形成激励，而与管系的固有频率相近的时候，将会发生共振致管系振幅增大从而酿成灾难性的后果。

2　往复式压缩机管系振动的减振措施

2.2 增加缓冲器。增设缓冲器能使缓冲器后面管道内的气流脉动变得缓和，可以降低在排气或吸气期间气体冲击所造成的损失，从而使缓冲器之后管道内气流平稳。其平稳的程度取决于气缸对管道的作用方式、缓冲器容积的大小以及缓冲器的安装位置。根据API618标准的第一种设计方式，最小的进气缓冲器容积为：

式中：Vs—最小的进气缓冲器容积，m2；K—平均运行压力及平均温度条件下的绝热指数；Ts —吸气绝对温度，K；PD—公用缓冲器所有气缸在一转中总体积流量；M —相对分子质量。

最小的排气缓冲器容积Vd为：

式中：R—气缸的压力比。

API618标准还规定：Vs≥V0，并且Vs≥0.028m3。有时现场也可能遇到缓冲器容积符合API标准，但由于管道原因，压力不均匀度仍超出API标准。这种情况下，还要根据API标准的其它方式，对缓冲器的容积进行校验。同样，可以利用传感器采集缓冲器前后的振动信号，并对其δ值进行比较，可以检验其减振效果。

2.2 在管道中合理设置孔板。可以在往复式压缩机管道的适当部位设置孔板，这样可以有效消除振动。其原理是在容积足够大的容器进口处增加合适尺寸的孔板，这样孔板将和足够大的容器共通，使管道的尾端不再具有反射条件，这样不仅使原管道内的驻波转换成行波，而且还降低了管道中的不均匀压力脉动，从而达到减振的效果。孔板的位置选择对减振的效果影响很大，孔板必须要安装在大容器的进出口的法兰处，如图1所示。孔板的尺寸也对减振效果有很大的影响，实验结果表明，当孔板的孔径比为：d/D=0.43-0.5，厚度b=3-5mm时，其效果最佳。此时要求孔板的内径边缘处要有锐利的棱角，不能倒角，否则效果会降低。

2.3 改变系统的共振频率。管道系统的振动，是由于其作用在系统上的激振力引起的。而在往复式压缩机工作时，绝大多数振动都是由于管道内气流压力冲击的脉动引起的。在往复式压缩机管道系统中，当激振力的振动频率与管道系统的固有频率相近时，则会发生共振。为了避免这种灾难性后果的发生，我们需要使往复式压缩机的激振频率与系统固有频率之间有一定的频带宽度。而系统指定的往复式压缩机的激振频率是一定的，那么就只有提高管道系统的固有频率。根据机械振动理论可知，系统固有频率的公式可以用等效刚度和等效质量进行描述：

式中：Ke—管道系统的等效刚度；Me—管道系统的等效质量。

对管道系统的加固相当于是质量弹簧系统中弹簧的并联，由上述公式可知，采用合适的方式对管道系统进行加固，提高整个管道系统的刚度，可以使得管道系统具有很高的固有频率，从而有效避免共振。相关研究表明，钢架用于支承管系和部分设备，对钢架的技术指标有两个要求：①为管道和设备的支承点提供合适的刚度；②钢架结构系统的最低固有频率应大于1.2×激发主频。在相应的三维造型软件中进行实体建模，通过ANSYS或者ABAQUS等商用有限元软件进行模态分析计算，得出系统的固有频率和振型，进而指导管道系统的改进，以消除振动。