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往复压缩机管道振动原因及减振技术

  摘要:往复压缩机的管道防振设计是管道设计中的重点和难点,其工作原理决定了气流脉动不可避免,减振不能消除振动,而是把振动幅度尽可能降低。通过分析计算找到振动的原因,采取适当的方法进行减振,使压缩机在理想的工况条件下运行。

  文/张健

  往复压缩机是石油化工企业中的核心设备,相对于离心设备,其运动部件较多,如支撑环、气阀等很多部件都是易损件,故障率较高。同时由于压缩介质通常是高温、高压、易燃、易爆气体,一旦压缩机出现故障,处理不当可能会发生着火、爆炸等机毁人亡的恶性事故。往复压缩机排气管线振动问题同样是困扰油气储运、石油化工企业生产过程的一大安全问题,现阶段通过状态监测系统中的机组振动、温度信号还很难有效地对排气管线振动问题进行监测和诊断。长期的超标振动会使排气管线与其部件出现裂纹,由此导致压缩机介质的泄漏,影响到压缩机的安全运转。排气管道的振动还可能引起压缩机厂房振动,有时会产生高达120dB的噪声,对环境造成巨大危害。剧烈的管道振动会引起管道和相连的设备产生疲劳裂纹,管道本身开裂、紧固元件断裂、容器爆炸,也会造成机组本身损坏,破坏力极大。压缩机管道剧烈振动还会减少压缩机的排气量,降低容积效率,功率损耗增大,导致控制仪表以及压缩机气阀等部件使用寿命减少,对装置的安全生产,经济效益构成严重的威胁。

  同时由于管线的振动常常引起流程中其他装置的振动,如储气罐,给其他设备的安全运行埋下隐患。往复压缩机排气管线的故障,主要表现为振动值异常。在生产实际中,往复压缩机管线的振动造成了许多设备严重损坏,停产等严重事故。所以研究出一种能解决往复压缩机排出管线故障诊断与减振的方法,对生产装置安全稳定运行具有重要意义。

  一、往复压缩机管道振动的原因

  由往复压缩机的工作方式可知,其管线的振动形式是受迫振动。根据激振力的不同情况,可以把管线的振动原因分为三类。

  1.由机组本身振动引起的管线振动。

  2.由气流脉动所引起的管线振动。

  3.当往复压缩机激励频率与气柱固有频率或管线机械固有频率重合或接近时,所引起的共振现象导致压缩机管线振动。

  二、往复压缩机管道共振的机理及判定方法

  1.机组本体振动导致管线振动的机理

  往复压缩机本体的振动有时会引起管线的剧烈振动。往复压缩机具有交替吸气排气的特点,从运动机理上讲,这是为了平衡机组的往复惯性力和气体力,其曲柄连杆的运动方式导致的。电机带动曲柄旋转360度,由于曲柄与连杆部分重量分布不平衡会产生往复及旋转惯性力。曲柄通过连杆十字头机构驱动活塞做往复运动,也会产生很大的惯性力,这些惯性力如果没有得到平衡就可能会引起排气管线产生剧烈振动。往复压缩机机组的安装精度不够、动平衡不良、管道应力过大、基础不牢固等原因也可能引起机组和管道的剧烈振动。特别是往复压缩机的支撑和基础底座,如果不满足标准就起不到吸振和支撑的作用,会加剧管道的振动。

  2.机组本体振动导致管线振动的判定方法

  为了判定往复压缩机机组问题导致的排气管振动,需要对压缩机本体和振动的情况进行分析。如果在管线振动过大的同时出现机组本体和压缩机基座振动超过相关标准中规定的可接受值,并且在机组空载或低负荷情况下管线振动依旧超过安全标准,那么可以认为管线振动是由机组振动所引起的。

  3.气栓压力脉动导致管线振动的机理

  往复压缩机的运行方式是吸气、排气过程呈周期性和间歇性变化,该方式使管线中的气流产生脉动,导致管道内介质的气动热力特性随着时间做周期性和间歇性变化,这些气动热力包括压力、密度、速度等。当流体稳定流动时,排气管道不振动,当这种变化的气流沿管道输送遇到一些变化的“路况”时,如弯头、盲板、变径管、控制阀等,使管线内部局部压力变化,就会表现出对管道的激振,使管道产生受迫振动。

  4.气柱压力脉动导致管线振动的判定方法

  对于一台管线振动剧烈的往复压缩机,首要任务就是计算排气管线的压力不均匀度,利用动态压力表或者直接从分布式控制系统中查询压力参数,得到压缩机排气压力最大压力值和最小压力值。通过计算压力脉动的大小,根据压缩机自身不同的情况,与相应标准进行对比,即可判断压力脉动是否在正常的范围之内。

  5.由共振引起的管线振动机理与判断方法

  当往复压缩机排气管道发生共振的机理时,管线内介质会形成气柱系统与往复压缩机管道形成的机械系统,因此,往复压缩机会产生激励频率、气柱系统固有频率以及机械固有频率。当往复压缩机的激励频率和两个固有频率之一接近时,会导致严重的共振现象。当三者重合或接近时,有时甚至会发生多种共振耦合的情况。

  因此,管道系统的共振分为机械系统共振和气柱系统共振。

  气柱共振是指当往复压缩机的激励与气柱本身的固有频率接近或重合时,管线气柱系统发生共振的现象。根据管线的具体形式和部件得到气柱固有频率,将压缩机对管道的激励与固有频率进行对比,如果激励频率落入气柱固有频率的共振区间,即可以判定管线气柱发生共振。当气柱在某频率的激励下发生共振时,气柱的压力达到最大值。

  当压缩机对管道激励频率落入管道结构某一阶固有频率的共振区间时,管道可能会共振。管道系统如果没有阻尼,发生共振时,管道的振幅值将接近无穷大,虽然实际情况下存在约束和摩擦,振动会得到一定的控制,但振幅还会远远超过运行许可标准。当往复压缩机的激励频率落在管道的共振区间内,通常可以认为管线发生了机械共振。根据机组转速和机组作用方式得到往复压缩机激励频率并且通过模拟分析方法得到往复压缩机管线的各阶固有频率后,就可以进行比较,根据两者是否相近或重合来判定管线是否发生了机械共振。

  三、往复压缩机管道减振技术

  1.针对机组振动引起管线振动的减振方法

  针对往复压缩机机组本身引起的管线振动,其解决方法的根本在于提高设备的支撑刚度和阻尼,尤其是往复压缩机基础底座的支撑刚度。如果是因为设备支撑固定不良或者刚度过低,首先应考虑的是基础本身出现问题还是机械连接松动问题,若压缩机基础浇筑不牢,需要对基础进行重新浇筑。

  支撑松动也会使管道在机组的带动下振动超过安全标准,所以在布置管线的支撑时,应该保证沿地面铺设支撑,地面之下设置合理的混凝土基础,增加支撑的刚度。压缩机管线的支撑应该采用固定支撑或防振管卡,尽量避免采用悬挂结构或者简单的支托;防振管卡布置时应该尽量避免几何上与管道同心、同型,并且可以在管道的加固位置和支撑位置加粘弹性材料的吸振衬垫。

  2.针对压力脉动引起管线振动的减振方法

  (1)选择合适的往复压缩机类型。

  不同类型的压缩机对管线的激励不同,选择合适的压缩机类型可以从根本上减小压力振动。

  (2)在合适位置法兰处加设孔板。

  在合适的位置上增加孔板,可以大幅降低气流脉动的不均匀度,该方法比较容易实施。孔板是一个阻力元件,可以把管道中的压力驻波转换成只有单向行进的行波,气流压力脉动下降,管线振幅下降。孔板通常安装在排气管线缓冲罐的进出口法兰处,由于往复压缩机管线振动主要体现在低频,所以在缓冲罐进出口位置加孔板是对气流脉动最有效的抑制措施。

  (3)增加缓冲罐。

  可以利用压缩机出口缓冲罐的容积减小压力不均匀度,但不同型式的往复压缩机对缓冲罐的体积大小有明确的要求,且缓冲罐的安装位置离气缸进出口越近越好。最好紧挨压缩机气缸的进出口处分别设置一个吸气罐和排气缓冲罐,这样能最大限度地减小气流脉动。

  (4)增大弯头角度并在弯头处加固支撑。

  按照气流脉动的理论,弯头的角度是往复压缩机管道受到气流脉动的激励力大小的重要因素之一,因此增大弯头角度,可以减少压力脉动不均匀度对管道的激振力。由于现场条件有限,弯头的角度不能过大。在弯头附件加固支撑,使支撑的刚度变大,保证压力脉动不会引起较大的管线振动。

  (5)数台往复压缩机管线并联排气,使用集管器减小气流脉动。

  多台压缩机进行并联压缩,如果将压缩后的介质通过排气管线输入到总管,由多个压缩机所产生的气流脉动汇合之后就会进行叠加,气流脉动的叠加有不确定性,叠加后气流脉动可能会增大也可能会减小,叠加之后的结果取决于各个压缩机之间的曲轴转角差。所以为了减小由于多台压缩机排气汇合引起的振动叠加,需要在各个排气汇合到总管之前设法减小气流脉动。现在工程上通用的方法是在总管汇合之前加入集管器,其工作原理与缓冲罐类似。

  (6)采用阻尼器减小管线振动。

  对于气流脉动导致的管线振动,可以通过增加阻尼器来减小。阻尼器就相当于一个吸振器,把管线振动的机械能转换成其他形式的能量,从而使管线振动减小。

  3.针对共振原因的管线减振方法

  首先,避免气柱系统共振。气柱系统的固有频率取决于介质的传播速度和气柱的长度,当往复压缩机对管线的激励频率处于气柱固有频率的共振区间时,压缩机管道内的气柱系统就会发生共振,由于压缩机的压缩介质无法改变,介质的声速就无法改变。想改变气柱系统的固有频率,只能通过改变气柱系统长度,气柱系统的长度就是压缩机管线的长度。所以往复压缩机管线发生气柱共振,需要重新配管布置。

  其次,避免管道系统发生机械共振。当往复压缩机的激励频率落入其管线固有频率共振区间时会引起管线系统机械共振。避免管线系统发生机械共振的关键就在于使激励频率和管线固有频率错开。管线系统的机械固有频率要比气柱系统的固有频率复杂很多,其决定因素有系统的质量、刚度、阻尼等,想要改变系统的固有频率就要从这几方面入手,目前应用最广的就是通过改变管线的支撑位置和数目来改变管道的固有频率。

  管线支撑的位置、数目、刚度、质量等因素都影响着管线的固有频率。增大系统的刚度,减小系统的质量可以增大管道的固有频率,反之则减小管道的固有频率。安装管道的支撑时,注意支撑的相互距离,保证大体上相同,但相邻的两段,其跨距绝对不能相等,这时每两个支撑之间的管段就可以视为一条管线,具有相应的固有频率,保持每段的跨距不一致,可使每段的固有频率错开,这样就可以避免往复压缩机的激励所引起的整个管线的共振。

  往复压缩机的管道防振设计是管道设计中的重点和难点,其工作原理决定了气流脉动不可避免,减振不能消除振动,而是把振动幅度尽可能降低。气流脉动是引起管道振动的内因,管道结构变化是引起振动的条件,通过分析计算找到振动的原因,采取适当的方法进行减振,使压缩机在理想的工况条件下运行。

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