离心压缩机回流管线振动分析与解决方法

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

CO2压缩机是化肥厂最重要的核心设备之一，其安全有效运行对于工厂至关重要，管道的剧烈振动，将使得管道结构、管路附件以及管道的连接部位疲劳损坏、松动和破裂。其噪声的增大，会严重影响生产安全和工作人员的身心健康。

1 现场振动情况介绍和测量

某现场CO2压缩机有4个管口、2段压缩，压缩机运行参数见表1，出口管道走向和振动测点布置见图1，每处测点测量径向和轴向两个方向，1点为压缩机出口。管道有3处分支，一处为送到其他装置使用，一处为4段压缩出口回3段压缩的回流管线，平时处于关闭状态，最后一段为放空管线，一般在开车时使用，也处于关闭状态。实际现场见图2，在现场能明显感觉整个钢格栅板都在振动。通过对各测点进行测量，可得振动速度的有效值(见表2)。

表1 压缩机实际运行数据

图1 测点布置

图2 实际现场

表2 各测点振动数据

2 数据分析和原理说明

通过表2可以看出，振动在1点处较小，此后开始逐渐增大，在7、9、11点处达到最大，然后在13、14点处开始变小，即管线在压缩机出口振动很小，在到达阀组和三通后振动急剧增大，经过分支和阀组后，振动逐渐减小。对典型测点的频谱进行分析，图3显示了1点、4点和7点的振动速度的频谱。1点是离心压缩机出口，振动速度为0.7mm/s，振幅很小，此时转速为9 975r/min，对应频率为166.25Hz，而最大点处频率为88.75Hz，并不是转速的半频，还有145Hz，也不是转速频率成分。4点处振动明显变大，达到了9.753mm/s，其主要频率为85Hz，7点格栅板处振动最大，其主要频率为85Hz。同时还测量了回流管线和放空管线的振动情况，其中，回流管线振动较为强烈，放空管线振动幅度不大，根据现场感受振动情况，其振幅出现了不同程度波动，时大时小，而在测量的这段时间，其频率变化最大为5Hz，如果是转速引起的变化，其转速应在±150r/min，而这是不可能的，同时压缩机运行平稳，振动一直处于非报警状态，故排除是由压缩机气流激振引发的振动，即这次的振动不是由于离心压缩机机排气波动造成的。同时由于无其他激励源，故认为振动来自于流体流经管道产生的激励。

国外称这类振动为流体诱导激发FIV[3](FLOW INDUCED VIBRATION)，常见于离心压缩机管内流体流径三通、阀门等位置产生的涡流(见图4)，激发管道机械或气体共振，这类振动也常在换热器管道中发生。这类问题具有很强的不确定性和复杂性，特别是与管道流量息息相关，但由于生产的多变性，导致振动问题经常出现。而管线建成后，这类声学振动问题难以通过简单的加固支架来解决。为此，需要对离心压缩机管道进行专门的声学和激励源分析。

3 振源和管道固有频率分析

气流流过物体表面的缺口或空腔时，由于腔外剪切流与腔内流动相互作用，常会出现自持振荡现象，并产生强烈噪声。该问题涉及到流体力学中许多基本问题，如非定常流、流动不稳定性、声与流动的相互作用等，是流体力学中令人感兴趣的问题之一[4]。

当流体流经管道盲段时，在接口处产生旋涡，产生的旋涡会进入盲段，相当于激励源激励盲段的气体[5]，当气体频率与管道这段的气柱固有频率或机械固有频率接近时，旋涡激励会呈指数倍增加，导致管道振动与噪声增加。

Blake(1986)，Rockwell 和Naudascher (1978)等通过实验对其激发频率进行研究，得到其关系为：

其中，U为流速m/s，L为盲段内径mm。

对于一段开口一段封闭的管道，其声学固有频率计算公式为：

其中，c为流体在管道内传播的声速，H为管道长度。

通过计算可知，管道激振频率fn=16.9Hz，n=1，现场振动频率基本为85Hz，为其整数倍，处于其倍频段80%～120%的区间内。需要改变管道的响应结构来根本上解决其振动问题。

分别通过CAESAR Ⅱ软件和bentley plus软件计算管道机械和气柱固有频率，计算结果见表3、表4。表4计算的为回流管线的气柱固有频率，一段是带流量闭端，另一端为全闭端，模拟流体盲段激励。从表3、表4可以看出，振动频率85Hz对于管道的固有频率已相对较高，固有频率阶次也较高，在高阶次是不容易避开激励频率的，并且由于计算误差，会将计算频率增加20%的误差，工程上常采用80%～120%区间进行共振避开，据此通过改变管道固有频率来降低振动的可行性已被否定。管道CAESARⅡ模型见图5，管道气柱模型见图6。

图3 1、4、7点振动频谱

图4 流体激励原理

图5 管道CAESAR Ⅱ模型

图6 管道气柱模型

表3 管道机械结构固有频率

表4 管道气柱固有频率

由于单独改变其固有频率很难完全避开其激发频率，国外学者Franke[6]通过改变三通结构来改善其流道结构(见图7)。通过改变三通结构，可以有效降低其振动噪声，来降低其振动幅度。同时可以在管道内加装导流装置(见图8)。

图7 不同三通结构噪声对比

图8 弯头和球阀处导流片

4 整改措施

经过仔细分析和现场考察，决定从3个方面进行整改：①根据文献6的思路，在2个三通进入盲段处增加法兰，在法兰处加装多孔孔板，孔板形式与降噪板类似；②在回流管线上增加孔板，孔板法兰后开始变径到DN250，并新增刚性支架(见图9)；③在多处增加阻尼器，并在第二层平台上增加斜钢梁，以增加平台刚度。

业主采纳这一方案，并在大修时进行改造，开车后振动明显降低，第二层楼板振感明显减小消失，减振效果明显。

图9 管道改造方案

5 结语

针对某厂CO2压缩机出口管道振动问题，通过现场测量，分析振动原因是由于涡流激发盲段气柱共振导致，并计算其激振频率和管道机械和气柱固有频率。通过查阅国外文献，寻找其解决方案，并创新性地在管道上安装导流装置，取得良好减振效果。通过对离心压缩机的各项分析，说明其减振工作应进行科学分析，盲目加固和增加支架并不能有效解决问题，需要从根源找到其原因，选择最优方案，并且结合多种方式，以达到最佳减振效果。