往复式压缩机管道振动分析与优化探讨

杜超

（中国石油大庆石化分公司化工二厂，黑龙江 大庆 163714）

在流体的运输中，管道是非常重要的一环，尤其是在当前的工业领域中，管道的应用非常广泛。在实际应用过程中，往复式压缩机管道经常会出现振动问题，使得压缩机的正常运行受到巨大影响，工作效率逐渐下降，对设备的安全性也形成了严重威胁。如果往复式压缩机产生剧烈振动，会导致与其相连的机构产生严重破坏。另外，管道系统在运行过程中一旦发生共振，会使得管道系统内部的各个单元安全运行受到威胁，严重情况下甚至会引发工业安全事故，造成大量人员伤亡。因此，必须针对往复式压缩机管道产生振动的具体原因进行深入剖析，并找出合理的解决措施，才能保障往复式压缩机实现安全、高效的运行。

1 往复式压缩机管道振动原因分析

在专业人员建立起管道流固耦合模型进行分析后发现，管道机械低阶固有频率处在往复式压缩机激发共振区范围内时，会导致管道系统产生剧烈振动；而管道内部流体在高速流动过程中通过弯管，由于会产生较大的管阻压降以及二次流，导致弯曲管段位置的内壁出现压力低流速现象，弯曲管道的外壁会出现高流速低的现象。管道内部流体会产生气流脉动现象，而这种现象在开始阶段非常剧烈，随着时间的增加而逐渐趋于平缓。气流脉动所引发的振动频率与往复式压缩机自身的激发态频率接近时，就会导致管道产生振动现象。而往复式压缩机在实际运行过程中在共振现象以及气流脉动的共同影响下，会导致管道产生剧烈的振动。

1.1 共振

在往复式压缩机管道运行过程中，共振是其振动的主要原因之一。处在往复式压缩机管道内部的气体在流体运输过程中会形成一个系统，这种系统通常被称为气柱。气柱本身会存在一定的频率，这种频率称为固有频率，往复式压缩机的活塞在进行往复运动的过程中所产生的频率称为激发频率。管道与其连接的相关元件会形成一个系统，这个系统所表现出来的频率就是管道本身的固有频率，而通常情况下，将0.8 ～1.2f 的频率称为共振区。如果往复式压缩机在运行过程中气柱的固有频率与活塞往复运动过程中所产生的激发频率共振区发生重叠现象，就会使气柱出现共振现象，在此基础上，就会产生巨大的压力脉冲。如果管道的固有频率与活塞在往复运动过程中产生的激发频率共振区出现重叠，同样会导致管道机械结构发生共振。而上述两种共振的出现会导致往复式压缩机进一步产生振动现象。鉴于此，在进行往复式压缩机管道的设计过程中，要针对结构共振和气柱共振现象进行充分考虑，最大程度避免共振现象的出现，可以采取合理手段针对管道和气柱的固有频率进行调整。

1.2 自身原因

往复式压缩机在运行过程中，活塞的往复运动也会产生一个振动，而这种振动会进一步导致管道产生振动现象。另外，如果往复式压缩机在安装施工过程中出现错误的安装方法，或者是机组完成安装后动平衡性能较差，机组的支撑结构存在不合理设计之处，机组基础设计存在不规范的现象，都会使得往复式压缩机在运行过程中出现管道振动现象。

1.3 气流脉动

往复式压缩机在运行过程中气流脉动也是导致其管道产生振动的主要原因之一。气流吸排在压缩机工作过程中会呈现出一定的周期性和间歇性，因此，当往复式压缩机在运行时，处在管道内部的气流必然会产生脉动现象，在这种情况下，就会使得管道内部流体流速、密度、压力等相关参数在时间和空间不断变化的情况下产生周期性变化，这种现象被称为气流脉动现象。

管道内部流体在经过盲板、阀门、异径管、弯头、分支管等设备时，不可避免地会出现一定的激振力。在这种激振力的作用下，会引发整个管道系统产生机械振动。随着压力脉动的不断增加，会使得管道振动幅度逐步增加。当系统中产生强烈的压力脉动现象时，不仅会使往复式压缩机的运行效率下降，也可能导致压缩机系统中的气阀不能进行正常的开启和关闭，在一些情况下，管道系统的振动会使得管道系统中部分元件出现严重损坏。

2 管道振动优化处理措施

2.1 避免共振现象出现

通过上述分析可以知道，共振是导致往复式压缩机管道出现振动现象的主要原因之一。鉴于此，在针对往复式压缩机进行设计的过程中，要尽量避开共振管长。共振管长主要指当活塞在进行往复运动的过程中产生一定激发频率的情况下，往复式压缩机管道实际产生振动的管道长度。在具体的设计环节中，要坚决避免管道长度与共振管长出现一致现象，与此同时，还要对二阶共振管道长度给予高度重视，在此基础上，才能够有效避免往复式压缩机在运行过程中产生共振现象，对气柱和管道系统的共振进行有效预防，从而最大程度避免往复式压缩机在运行过程中出现管道振动。

2.2 自身因素

首先，要针对管道进行合理调整。在往复式压缩机运行过程中，异径管及弯头等接头位置非常容易产生激振力，进一步引发管道产生振动。针对这种现象，在进行管道路线设计的过程中，应该尽量避免使用异径管以及弯头等能够产生激振力的元件。此外，如果整个管道系统在设计过程中出现了大量的转弯环节，会对整个管道系统的高度造成严重影响，导致管道系统固有频率下降。

其次，要针对管道系统设计合理支架。为了最大程度避免往复式压缩机在运行过程中出现管道共振现象，通常情况下，都需要充分保障管道系统自身的固有频率最低值要超过激动力的主频率，而要想实现这一目标，就要针对整个管道系统进行合理调整，有效地增加整个管道系统的高度。

通常情况下，在进行管道系统设计过程中，针对低压管道系统要保证其固有频率超过24.0Hz，而针对高压管道系统进行设计时，要充分保证其固有频率超过28.0Hz。在具体的实施过程中，可以针对支架间距进行合理调整，全面提升整个管道系统刚度，在此情形下，就能够有效地提升整个管道系统的固有频率。

2.3 设置缓冲器

针对整个管道系统合理位置设置相应的缓冲器，能够最大程度避免往复式压缩机在运行过程中出现管道振动现象。通过有效增加缓冲器，不仅可以有效改变管道内部气柱的固有频率，同时，还能够将气流脉动的幅值控制在最低程度，在此基础上，就能够实现往复式压缩机管道振动的有效控制。在具体针对往复式压缩机管道系统进行缓冲器设置的过程中，要对缓冲器本身的设置位置以及容积的具体大小给予高度重视。在缓冲器设置位置方面，应该充分保证缓冲期设置位置与往复式压缩机气缸距离保持最近，这样才能发挥出良好的缓冲效果。而针对缓冲器容积的大小方面，要尽量保证缓冲器的容积能够超过往复式压缩机气缸一个行程容积的10倍。只有在充分保证缓冲器容积大小以及安装位置的合理性之后，才能够让管道内部的气体在流动过程中保持平稳，在此情况下，就能够最大程度避免往复式压缩机在运行过程中出现管道振动现象。

3 结语

综上所述，往复式压缩机在实际运行过程中会因为自身因素、共振、气流脉冲等几种因素导致管道出现振动现象。而往复式压缩机管道产生振动后会对管道系统产生严重损伤，而且也会使得往复式压缩机的运行效率下降。鉴于此，要采取合理的措施有效地解决管道振动问题。在实际的施工中，可以通过对管道长度进行合理设计，最大程度避免管道系统出现拐弯现象，在合理位置设置容积大小科学的缓冲器可以有效避免往复式压缩机管道出现振动现象。