往复式压缩机管线振动消减措施探讨

2015-12-14李永忠

设备管理与维修 2015年6期

李永忠

（兰州石化公司兰州）

兰州石化公司助剂厂年产2万吨顺酐装置，使用的4台氢压缩机是装置的关键设备，均为往复式压缩机，工作特点是气缸进行周期性往复运动，吸排气呈间歇和周期性，管道内气体造成出口管线剧烈振动。管线长期振动会造成材料的机械疲劳破坏，从而引起重大事故。

一、设备主要运行参数

压缩机是无锡压缩机股份有限公司生产，2新氢压缩机型号DW-1.7/（9.5-33）-X，转速490 r/min，压缩介质为氢气，流量1.7 m3/min，进口压力 0.95～1.3 MPa，出口压力 3.3 MPa，功率75 kW。2台循环氢压缩机，型号PW-3.8/（27.2-33）-X，转速420 r/min，压缩介质为氢气及烃类，流量3.8 m3/min，进口压力2.72 MPa，出口压力3.3 MPa，功率75 kW。

二、设备管线运行振动原因分析

1.设备结构原因

往复式压缩机的结构工作特点是吸、排气呈间歇性和周期性，使管内气体呈脉动状态,气体参数温度、压力的变化，又随时间做周期性变化。当脉动的气体沿管道输送时，遇到弯头、大小头、阀门、控制阀等元件时将产生随时间变化的激振力，受此激振力的作用，管道结构及附件便产生一定的机械振动响应，这就决定了设备进出口管线会随管内流体出现一定程度的振动。目前车间使用的压缩机共有0，50%，100%等3个负荷操作挡。在实际操作过程中，压缩在0负荷时平均振动数值为2.5 mm/s，100%负荷时平均振动数值为10.4 mm/s。

2.共振原因

在往复式压缩机的实际运行过程中存在着3个频率。即管道内气体形成的气柱固有频率。管道、支架、管件等组成的管道系统机械固有频率以及压缩机活塞往复运动形成的激发频率。在气柱固有频率与激发频率相近时，发生气柱共振，产生较大的压力脉动。管道系统机械固有频率与激发频率或气柱的固有频率相近时产生结构共振。因此工程上常把系统固有频率的0.8～1.2倍频率的范围作为共振区，只要激发频率落在该频率区内，系统就发生较大的振动。实际操作中，压缩在50%操作负荷时，产生巨大的结构共振现象，振动数值平均在15 mm/s以上。

3.对策

从上面的分析可以看出，压缩机在50%负荷运行时存在共振现象。100%负荷运行时振动数值偏大。这些都对压缩机的平稳运行造成很大的不安全隐患，因此要采取切实可行的办法和措施。

在压缩机周期性排气与吸气的激发下，引起气柱振动，造成管道气流的压力脉动。压力脉动作用在管道的转弯处或截面变化处，激起管道做机械振动，在气柱频率与管道结构的固有频率相近时，就会引起管道产生共振。

一般振动是考虑各种实际因素的实际振动，伴随有摩擦，空气阻力等能量损失，最终系统会因能量的缺失而停止。在某一个极短的时间段内，对系统进行分段分析，可以近似按照简谐振动来分析。简谐振动的周期公式见式（1）。

式中T——周期

m——质量

k——比例系数

g——重力加速度

实际中，k可以表示不同的含义，例如：在单摆做简谐运动时，k=mg/L 代入式（1）即得 T=2π（L/g）1/2。因此，在原有系统中增加一些约束，就会改变原系统的质量和比例系数（即k值）从而达到改变系统的频率，避免共振现象。

三、调整管道系统机械固有频率

1.管线和管架之间增加防振管卡

在压缩机进出口管线在管架接触的部位总共增加了7根长度为230 mm,直径为16 mm的U形防振固定卡。目的是减少管线的柔性，增加管线刚度。结构如图1中2，3所示。

图1 防振固定卡

2.管线和管架之间增加防振设施

为保证压缩机进出口管线在管架处的充分接触，在5根U形防振固定卡的安装部位增设5 mm厚的橡胶垫，目的是起到吸振和减振效果。结构如图 1中 1，4所示。

3.增大管线支撑的刚性基础

原来的管线支撑没有刚性基础，支撑的刚度很差。重新制作长宽高为50 cm×50 cm×65 cm的砼结构刚性基础，增加支撑的惯性质量，目的是增加支撑的刚性。结构如图2。

图2 砼结构基础

4.管线支撑之间增加刚性联结

在原有的2根压缩机出口管线与2根管线支撑之间，增加2道（16#槽钢）横向连接杆。目的是降低支撑的柔性，增加支撑的刚性。结构如图3。

图3 横向连接杆

5.调整管道气柱的固有频率

查阅大量设计资料和文献资料后认为，选择合适的部位增设孔板，就可以调整和改变管道气柱的固有频率。在压缩机进口缓冲罐D-1104的进口增加孔板1块；在压缩机出口缓冲罐D-1105的进口增加孔板1块，管线规格为Φ108 mm×5 mm，材料20#钢，目的是改变管道气体的脉动波形（图4）。

图4 孔板安装位置

图5 孔板结构尺寸

消振孔板（图5）的孔径要经过压力脉动计算确定，一般孔径比为0.43～0.5,厚度为3～6 mm，且孔板内径边缘处必须保留锐利棱角，通常安装在缓冲罐的进出口处.由于氢气是低速气体，设D为孔板安装处管道内径，d孔板内径，h孔板厚度。取d/D=0.5，孔板直径：d1=50 mm，D1=100 mm，h1=6 mm，d2=50 mm，D2=100 mm，h2=6 mm。

4.经验和教训

压缩机平稳运行过程中的安全问题至关重要。压缩机管道振动是一个很复杂的问题，它同设备的设计质量、制造质量、管道的配置、管架的合理设置以及设备基础的施工质量等诸多因素有关。因此需要设计单位、设备制造商、施工承包商、工程监理、工程建设方（业主）等多方的大力协作。

设计单位和设备制造商协作是最重要的，因为只有这样才会避免因设计单位、设备制造商相互脱节而造成先天的不足，给设备的安全运行埋下难以治理的安全隐患。只有这样才能设计和建造出安全、经济、优质的压缩机平稳运行的环境，为企业的发展创造可观的经济效益。

四、效果及评价

1.管线振动数值大幅降低

在氢气压缩控制操作参数在100%的操作条件下，改造前氢气压缩机出口管线振动数值为：8.9，9.6，11.3，11.2，12.8，9.6，9.5 mm/s，平均 10.4 mm/s；改造后管线振动数值为：2.5，2.6，2.7，2.6，2.5，2.5，2.4 mm/s，平均为 2.5 mm/s。可以看出，改造后管线的振动数值大幅度降低，消除了存在的不安全隐患。

2.消除了共振现象

目前压缩机在0，50%，100%等负荷运行下均能平稳运行，尤其是在 50%负荷运行时振动数值为：15.5，15.6，16.3，16.2，16.8，15.6，16.5 mm/s，平均 16.1 mm/s；改造后管线振动数值为：2.2，2.3，2.3，2.4，2.6，2.5，2.4 mm/s，平均 2.4 mm/s，未再发生共振现象。