往复式压缩机振动原因分析及减振措施探讨

李元丰

摘要：往复式压缩机气体管道振动是管道设计和机器运行中经常遇到的问题，往往影响到设备装置的正常运行，并严重威胁着工厂的安全生产。本文分析了通常引起往复式压缩机气体管道振动的原因及常见的减振方法。通过对一起往复式压缩机振动实例分析，针对原因提出合理的减震措施。实施后现场实际运行情况良好，振动有明显改善。

关键词：往复式压缩机;气体;管道振动;原因;减振措施

管道内工作介质为气体的称为气体管道，动设备以及静设备是通过管道串联成工艺流程的，它主要起输运、传递介质的作用。往复式压缩机在石油、化工、冶金、纺织、动力等部门中应用非常广泛，气体管道是压缩机装置中最主要的系统之一。往复式压缩机管道的振动是管道设计和机器运行中经常遇到的问题，往往影响到装置的正常运行。在生产实际中，由于强烈地管道振动，将会使管路附件，尤其是管道的连接部位、管道与附件的连接部位和管道与支架的连接部件等处发生磨损、松动;在振动所产生的交变应力作用下，导致疲劳破坏，从而发生管线断裂、介质外泄，甚至引起严重的生产事故，给生产和环境造成严重危害。因此分析其振动原因及消振措施，很有必要。本文对往复式压缩机气体管道振动原因进行了简单地分析，并针对往复式氢气压缩机的振动问题提出了具体地减振措施。通过减振措施的实施，机组运行情况明显改善，振动减小。

1 管道振动分析使用的控制标准

往复式压缩机管系的振动分析应满足：

（1）满足美国石油学会API618标准脉动控制要求，保证压缩机管系气流脉动不超过允许值。

（2）根据美国普渡压缩机技术协会关于机械振幅要求，保证机械振动全振幅不超过允许值。

美国石油学会制订的APl618标准，从量上规定了对压力脉动和振动控制的设计要求。

2 压缩机气体管道振动原因分析

压缩机气体管道系统主要有3个振动源：一是管道内气柱的振动;二是气流压力脉冲在管件处冲击振动;三是管道的机械振动。

2.1 气柱共振

往复式压缩机在运行过程中，由于吸气、排气是交替和间断性的，另外活塞运动的速度又是随时间变化的，这种现象就会引起压力脉动。当压缩机的激发频率 进人气柱固有频率的区域时，就会使管道的气柱处于共振状态，气流脉动非常严重，引起管道甚至压缩机和基础的强烈振动。

2.2 气流压力脉冲在管件处冲击振动

往复式压缩机的气流压力脉动除了可能引起气柱共振之外，管道中的压力和速度波动在管道的转弯处、截面变化处和各种阀件、盲板处还可能产生冲击作用，引起管道振动和噪声。在急转弯引起的激振力最大，应尽量避免急转弯，力求转弯半径尽可能地大。

2.3 压缩机机械振动对气体管道的影响

压缩机主机振动通常是由于活塞组存在往复惯性力及力矩的不平衡、旋转惯性力及力矩不平衡、连杆摆动惯性力的存在、倾覆力矩的存在以及机器重心的周期性的移動和切向力的不均匀等各种复杂合力的作用。使压缩机在工作时产生机械振动，是引起管道振动的主要原因。管道振动的另一个原因是管路结构振动系统内管路、管路附件、容器、支架等构成的结构系统在受到激发后就会作出机械振动响应。对于管路的机械振动系统，也有一系列固有频率。当激发频率与某一阶机械振动固有频率相重合或接近时，则管路系统将呈现出最大的振动响应，形成强烈的机械振动，这就是管路机械共振。当激发频率等于气柱固有频率，又等于管路的机械固有频率时，则气柱和管道均处于共振状态，导致管道发生更强烈振动。管道系统在各种不同型式的支承方式及质量分情况下，可以用分析的方法计算得到各级压缩的固有频率。

如何区分气流脉动引起的振动和管路机械振动，一般也比较容易。气流脉动引起的振动会导致很远处的管道及主机的振动;而主机动力不平衡引起的振动只发生在机器附近的管道。可通过检测主机空运转时的振动情况判断，若空运转时管道及主机运转平稳，而加负载后振动明显，说明管道振动肯定是由于气流脉动引起的。

3 压缩机气体管道控制振动方法

复杂管道系统一般由直管、弯管、缓冲器、油水分离器、冷却器、支撑等组成，故管路中只要有气流脉动存在，就有激振动力的产生，并导致管路振动。为防止发生振动或减小振动，常采取以下措施：

（1）减小气流脉动。减小气流脉动的方法比较多，现介绍几种常用的方法：a.合理地配置气缸、附属设备及管道。通过改变管路的长度、管径、容器的大小及位置均可调整气柱固有频率，以求避免气柱共振;b.设置缓冲器。行程容积15倍的空腔，犹如一只柔软的弹簧，起到隔离振动源的作用。缓冲器一般安装在气缸附近;有的在缓冲器内安装一个芯子元件，以衰减压力脉动，效果比较理想;c.安装孔板减振。在压缩机管路的适当部位安装孔板是消减现场振动的有效措施。但孔板必须保持锐利的棱角，且孔板应安装在节点处，即压力脉动值等于零或近似等于零的地方。一般在大容器的进气口或排气口结合处，切忌随意安装孑L板，因为孑L板是一个阻力元件。

（2）尽量减少管路弯头的数量，避免急转弯（180。转弯），且弯头的圆孤半径要大，同时要进行固定，即避免空间转弯。这是为了减小产生激振动场所，从而缓解机械振动。

（3）防止管路产生机械共振，通过改变调整管路的走向、支撑位置、支撑结构、管路结构尺寸等方式，调整管路的固有频率。

（4）调整压缩机平衡度，使压缩机主机运转平稳，在振动比较严重的管路上可安装附加重量一消减器，以改变振动系统的自由度及固有频率值。

（5）对于两相流引起的管道振动。解决方案：

①工艺操作：工艺操作条件、管内介质的流速、管径选择上应尽量避免出现块状流和塞状流;②管道的布置：应尽量减少弯头个数，并考虑采用大半径弯头，以减少冲击;

③支架的设置：应尽量采用支架，不宜采用吊架，并在适当的部位设置导向架和限位架，且应具有足够的刚度。

（6）对于喘振引起的管道振动。对流量进行调节，喘振便会停止。

（7）对于机器本身振动引起的管道振动。从机器本身、基础设计、施工缺陷上找原因。

4 实例分析

往复式压缩机在多晶硅生产中有着广泛的应用。在多晶硅尾气回收过程中压缩机主要承担着氢气增压的作用。我们在压缩机安装完成后对机组进行机械试车时机组的振动小，在标准范围之内，最大振动在10mm/s以內。机械试车振动值如下表：

在氮气试车时发现振动增大（入口压力1.7bar，出口压力2.7bar），最高达到了23mm/s。经过入口管道增加支架后发现振动明显减小（入口压力1.7bar，出口压力2.7bar），最大振动减小至了10mm/s。改善后氮气试车振动值如下：

在其后的负荷试车时（入口压力3.66bar，出口压力13.8bar）发现机组的振动明显增大，最大达到20mm/s。负荷试车时振动值如下：

首先我们分析振动是气流脉动引起的还是压缩机机械振动引起的。压缩机机械、氮气试车，气体管道非常平稳，振动较小;加负载后，气体管道振动振幅立刻明显变大。由此可以推断，气体管道振动与气流脉动有关。我们对气流脉动分析进行了重新计算，分析认为气流脉动合乎要求。

在调试过程中我们发现停止压缩机的振动也达到了4mm/s，我们认为可能与机组共振有关系。在四台机组周围增加隔断后，停止压缩机的振动明显减小。

针对压缩机负载加大后，入口缓冲罐的振动、轴向振动加大的情况。经过计算分析认为引起振动的原因在于入口管道振动引起，同时入口缓冲罐的基础施工存在问题。在对入口管线增加固定支架后，振动值减小至15mm/s。

增加支架后振动值如下表：

同时发现机组在设计时管道拐弯个数较多，其中直角转弯个数较多。增大管道拐弯圆弧半径，增大拐弯角度，避免直角拐弯但管道已成型，改动太大未进行改造。按照上述可行方法对压缩机气体管道系统进行整改，整改后振动明显减小，效果较好。

5 结论

（1）往复式压缩机管道的振动是机器运行时经常遇到的问题，其原因主要有三种：一是管道内由于压缩机的往复运动造成的气流脉动所产生的气柱振动;二是气流脉动在管件弯头等处对管路结构系统产生冲击振动;其次是管道的机械振动。首先分析振动原因有助于简化程序，合理采取防振措施。

（2）在管路中，当气流脉动及各干扰频率系统的固有频率相同或相近时，会引起共振，这是造成管路振动超常的主要原因。

（3）在基础施工过程中，必须对机组周围增加隔断减少共振引起的振动增大。

（4）在压缩机的设计初期要减少弯头的数量，减小产生激振动场所。

（5）在压缩机的设计时要根据工艺介质的情况准确计算气流脉动对机组振动的影响，在合适的位置增加限流孔板减小振动。

参考文献

[1]樊长博.往复式压缩机气体管道振动分析及消振方法.科学技术与工程，2007年4月，1671—1819（2007）7-1309-04;

[2]胡跃华.管系振动问题的分析及消振处理措施，石油化工设计， 2008，25（1）22—26。