往复式压缩机管道振动的核算

邹新健

【摘 要】某石化吸附脱硫装置的往复式氢气压缩机由于厂家对压缩机管道进行脉冲和振动分析计算时管道施工图还没出，厂家根据经验取值计算，使用单位对压缩机出口管道的振动情况持怀疑态度，本文对该装置的往复式压缩机出口管道振动进行了核算，结果表明振动在允许范围内。

【关键词】往复式压缩机；管道振动

中图分类号： TE974 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0061-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.026

1 压缩机情况简介

某石化吸附脱硫装置的往复式压缩机有4台，循环氢压缩机两台，位号K101A/B，两列对称平衡型，型号为2D10-10/26.38-37型。反吹氢、补充氢联合压缩机两台，位号K（102+103）A/B，两列对称平衡型，型号为2D10-1.24/26.38-66.3—4.2/22-37.5型。由于吸附脱硫装置项目建设进度要求，厂家并未等设计单位出压缩机出口管道的施工图，厂家根据以往经验，已经对压缩机出口管线进行了脉动和振动分析计算。使用单位对压缩机出口管道振动持怀疑态度，本文将根据现场实际数据核算压缩机出口管道的振动。

2 管道振动的原因

往复式压缩机管道在允许范围内存在某种程度的振动是正常现象。但应该避免发生剧烈振动，否则可能导致管道破坏，引起管道发生剧烈振动的主要原因有两方面：一是气体压力脉动过大，导致激振力过大；另一个原因则是管道发生结构共振[1]。厂家在设计压缩机的时候已经计算了管道系统脉震，并且已经设置了缓冲罐，激振力已经控制在合理范围内。管道发生结构共振的原因，则是管道结构固有频率与机器激振力频率过于接近产生共振，使管道振动急剧增大。我们要避免管道发生结构共振，所以有必要计算管道振动。

往复式压缩机管道系统的振动包括4个方面的振动，它们的振动频率分别如下：

（1）往复压缩机管道的机械振动基本频率f1；

（2）管道内脉动气流振动的基本频率f2；

（3）管道内气流压力脉动的振动频率f3；

（4）管道的固有振动频率f4；

当上述4 个方面的振动频率f相互接近（0.8-1.2倍）时，管道就会产生共振而破坏。为了避免破坏，必须保证各振动频率间相差一定的安全距离。一般控制下列几对振动频率f不接近，f1与f4不得接近，f2与f4不得接近，f2与f3不得接近[2]。下面以某石化吸附脱硫装置循环氢压缩机为例，来计算出口管道的振动。

3 管道振动的计算

3.1 往复压缩机管道的机械振动基本频率f1的计算

往复压缩机管道的机械振动基本频率f1的计算公式为：

f1=K1n（1）

式中：N——往复压缩机转速，r/min；

n——往复压缩机的曲轴数量；

K1——系数，对曲轴数n为奇数时，K1=2；n为偶数时，K1=1；

循环氢压缩机的转速为420r/min，曲轴数量为1，取K1=2，代入式（1）中计算得出：

f1=K1n=2×1×=14

3.2 管道内脉动气流振动的基本频率f2的计算

管道内脉动气流振动的基本頻率f2的计算公式为：

f2=K2n（2）

式中：K2——系数，对于双作用气缸，K2=2；对于单作用气缸，K2=1；

循环氢压缩机气缸为双作用，所以取K2=2，代入式（2）中计算得出：

f2=K2n=2×1×=14

3.3 管道内气流压力脉动的振动频率f3的计算

管道内气流压力脉动的振动频率f3的计算公式为：

f3=（3）

式中：C——气流在管内的音速，m/s；C，K为气体的绝热压缩指数；V为气体比容，单位m3/kg，Pm为管道内的气体绝压，单位Pa；

m——脉动气压的谐振阶次，m=1，2，3…，为1阶、2阶、3阶…的谐振阶次；

le——管道系统的当量管长，m；

循环氢压缩机的介质是氢气，出口压力为3.7MPa（G），经查询得知，氢气的绝热压缩指数为1.41，氢气的比容为11.11m3/kg，计算得出：C=7715.4m/s。m取1，现场实测管道系统的当量管长为6.63m，代入式（3）中计算得出：

f3==7715.4（2+1）/4×6.63=872.78

3.4 管道的固有振动频率f4的计算

管道的固有振动频率f4的计算公式为：

f4=×（4）

式中：λ——管道的谐振系数，管道两端简支的1阶谐振λ1=π，2阶谐振λ2=2π，管道两端固支的λ1=4.73，λ2=7.85；

ls——管道支架间距，m；

g——重力加速度，g=9.8m/s2；

E——材料的弹性模量，kg/m2；

J——管子断面惯性矩，m4；

R——管子外径，m；

A——管子截面积，m2；

循环氢压缩机管道支架是防震固定支架，λ应取4.73，现场实测管道支架间距为3.6m，管子外径为114mm，管子内径102mm，管子材质为P11合金钢，合金钢的弹性模量查得为2.06×105MPa，换算单位后为2.1×1010kg/m2。

管子的断面惯性矩的计算公式为：

J=

式中：D——管子外径；

α——d/D，管道内径/管道外径；

计算得出管子的断面惯性矩J=2.976×10-6m4。

管子的截面积A=π-π=0.002m2。

把这些数值代入式（4），计算得出：

f4=14247

从上述计算结果可以看出，f4远大于f1和f2，f3也远大于f2，所以可以确定，循环氢压缩机出口管道不会产生共振。

4 反吹氢和补充氢压缩机管道振动的核算

有了循环氢压缩机出口管道振动计算的例子，我们也可以计算反吹氢和补充氢压缩机的出口管道振动，虽然反吹氢和补充氢压缩机是联合压缩机共用一台电机，但是出口管道并不一样，所以计算出口管道振动需要分别计算。

反吹氢压缩机的参数为：转速420r/min，1个曲轴，双作用，出口压力6.63MPa（G），le=4.45m，ls=1.46m，管子外径89mm，管子内径78mm。补充氢压缩机参数为：转速420r/min，1个曲轴，双作用，出口压力3.75MPa（G），le=4.8m，ls=2.6m，管子外径60mm，管子内径52mm。把数据代入上述4个公式中，求得管道振动频率列在表1中：

从表1中数据可以看出，反吹氢压缩机和补充氢压缩机的f4远大于f1和f2，f3也远大于f2，所以反吹氢压缩机和补充氢压缩机出口管道不会产生共振。

5 实际出口管道振动

某石化吸附脱硫装置的往复式压缩机在氮气负荷试车时，我们收集了几组振动数据，列在表2中：

按GB/T7777-2003《容积式压缩机机械振动测量与评价》[3]中规定，振动速度>1.8，≤2.8mm/s的振動烈度为2.8mm/s，对称平衡型往复式压缩机振动烈度应不大于18mm/s，吸附脱硫装置的4台压缩机的气缸振动烈度为2.8mm/s，在允许范围内。该标准未对出口管道振动进行说明，我们参照压缩机振动评价标准，震度速度>0.71，≤1.12mm/s 的振动烈度为1.12mm/s，那么4台压缩机出口管道振动烈度为1.12mm/s，在允许范围内。

6 结论

通过计算吸附脱硫装置循环氢，反吹氢，补充氢压缩机出口管道振动频率，我们确认管道不会发生共振，出口管道振动在允许范围内。氮气负荷试车时测得的实际出口管道振动速度在1mm/s左右，也证明了出口管道的振动在允许范围内。

【参考文献】

[1]往复式压缩机脉冲的影响及缓解措施，《湖南理工学院学报（自然科学版）》第17卷第1期，2004.03.

[2]往复式压缩机或泵装置管道的振动计算，《化工设备与防腐蚀》，2004.04.

[3]GB/T7777-2003《容积式压缩机机械振动测量与评价》.