关于往复式压缩机振动消减措施的探讨

摘要:提出了减小往复压缩机管道振动的结构方案及其相关理论，对消减气流脉动具有重要意义。

关键词:往复压缩机 脉动 振动 研究

一、前言

往复压缩机在化工生产、油气田的采油、采气及增压输送等方面发挥着越来越重要的作用。压缩机由于吸、排气的间歇性动作，其气流的参数将随位置和时间的变化而变化，当脉动的气流沿管道输送时，遇到弯头、异径管、盲板、控制阀等元件时，将产生激振力。压缩机管线的振动会使管路和附属设备连接处松动，加速振动管道的疲劳破坏。由于结构与工况的原因，压缩机管线的压力脉动始终存在。在允许范围内存在某种程度的振动是正常的，但该避免管道发生剧烈振动，否则可能导致管道破坏。本文提出了几种减小往复压缩机管道气流压力脉动引起的管道振动的结构方案及其相关的分析设计理论，对消减气流的脉动具有非常重要意义。

二、产生振动的原因分析

管道及其支架和与之相连接的各种设备或装置构成了一个复杂的机械结构系统，该系统产生振动是由多种原因引起的:

(1)由于压缩机运动机构的动力平衡性差或基础设计不当，引起机组振动，从而使与之连接的管道发生振动;

(2)由于管内气流脉动引起的管道受迫振动;

(3)管道结构与内部气流构成的系统具有一系列固有振动频率，当压缩机激发频率与结构的某阶固有频率相近时，系统振动叠加，产生该阶频率的共振，使管道产生较大的位移和应力，这常常是导致管道发生疲劳破坏的主要原因，已引起现场的高度重视。气流脉动是引起管道振动的最主要原因。管道输气需通过压缩机或泵加压作为动力，这种加压方式是间歇性的。由于间歇加压，管道内的压力在平均值的上、下脉动，即产生所谓的压力脉动。管道内气流处于脉动状态，脉动状态的气流遇到弯管、异径管、控制阀等元件，产生一定的随时间而变化的激振力，从而使管道和附属设备产生振动。

三、气流压力脉动的消减措施

气流脉动的消减关键在于配套管线的设计，在配套管线的设计阶段，除了满足工艺要求外，还要进行管系配置的系统计算，从而对管系做出最优化选择，例如容积体积、管径、管长、支撑位置、支撑长度等的优化选择。此外，还要进行气流脉动响应计算，找出气流脉动不均匀度沿管线的分布规律，必须使其在允许范围之内。

1、增加孔板

增加孔板是很有效的减振措施。当压缩机组结构设计不允许缓冲器紧靠气缸、缓冲效果不理想时，特别是气缸与缓冲器间连接管为共振管长时，通过在缓冲器法兰处安装恰当尺寸的孔板可以把管道内的气流由驻波变为行波，从而降低气流压力的不均匀度，以增强缓冲效果，达到减振的目的。气流通过孔板后，其流速大小和方向都会发生变化，系统能量也会损失，气流压力的变化对天然气压缩机在油田的注气、采油、增压外输等方面会产生较大的影响，增加孔板虽然降低了气流压力脉动，但同时也减小了输送压力，这是一个矛盾的统一体。在考虑减小气流压力脉动的同时，也要考虑在生产工艺上满足要求，不要顾此失彼，得不偿失。因此，在增加孔板减小气流压力脉动的同时，一定要仔细分析气流通过孔板时的压力降。气流经过孔板后的压力降公式，由流体力学中有外功加入的柏努利方程

式中Z1,Z2―截面1与截面2的中心至基准

水平的垂直距离，m

Pl,P2―流体分别在截面1和截面2处的压强，Pa

U1,u2―流体分别在截面1和截面2出口的流量，m3/S

∑hf―流体的能量损失，J

we―外功或静功，J

2、固定支承减振

为了机组设计的紧凑性和工艺流程设计要求，压缩机组的进、排气管道必然要设置多个弯头。合理的布置管道和安装管道支承，对减小管道振动具有较大的影响。

1）对于天然气压缩机,管道布置时应尽量沿地面铺设，这样有利于管道支撑。管道布置时还应尽量减少弯头的数量，以减小激振力的作用。

2）管道支承设计中应注意以下几个方面的问题:

a)一般情况下，支架的跨距应大体相同(当然相邻支架最好不要完全相等)，因为在各支架的跨距中，只要有一个较大，管系的机械固有频率就会显著降低。

b)天然气压缩机管道的支架应采用防振管卡或固定支架，不能采用简单支托，更不能采用吊架。为了增大管卡与管道之间的接触面积使管卡能够卡紧，防振管卡应采用扁钢不宜采用圆钢，并且在管卡与管道之间应衬以石棉橡胶垫。

c)防振支架宜设独立基础，尽量避免固定在压缩机基础和厂房的梁柱上。防振支架的结构和支架的固定部分应具有足够的刚度，防振支架的间距和位置应经过管系固有频率分析后确定。

d)振动管道沿地面铺设，原则上支架不应固定在厂房、构架、平台和设备上，应固定在管墩的型钢上;固定管托、管卡时应有

一定弹性，以吸收管道部分振动力。减小管道振动就是要减小激振力和加强约束力。具体措施就是减少弯头数量，加强支承和改变支承位置等。但在压缩机配管已经完成的情况下，用减少弯头数量的方法，工作量较大。因此，改善支承是行之有效的方法，如图3所示弯管支承结构、图4所示的管卡结构。改用环形扁钢卡环固定，卡环与管子间采用石棉橡胶板垫层，使卡环的作用大大加强。由于支承结构的改变，所以管系结构自振频率就增加了，增加了管道的抗气流脉动的干扰能力，同时抗外力干扰的能力也明显改善。

四、改造方案

基于以上理论依据结合我车间实际情况对合成气压缩机管系做了以下改进。

1、增加孔板

序号 名称 设备号 通径及压力 孔板尺寸

1 二级进口 2516.172-00 PN100DN125 ∮175×49×4

2 二级出口 2516.72.-00 PN160DN125 ∮175×49×4

3 三级进口 2516.173-00 PN160DN200 ∮259×84×4

4 三级出口 2516.73-00 PN160DN200 ∮259×84×4

2、压缩机循环段入口缓冲罐进出口互换可以减少弯头，从而减小激振力。

方法：

断开缓冲罐进、出口管线，将缓冲罐顺时针转向90度，使管口向东，配管入厂房内。

将循环段入缓冲罐立管线的与缓冲罐上管口高度断开。

将管廊上DN200管线第一个弯头焊口断开，向南移动入缓冲罐的管系，使入缓冲罐管线与缓冲罐上管口在同一平面。

打开人孔，割除原来的入口挡板，并打磨。

缓冲罐侧管口配管线由厂房西墙暖风幕孔引入厂房内。

对管口打坡口焊接，对管廊支撑调整。

3、合成压缩机C5001B三出管线与合成压缩机C5001A三出管线汇合处改弯头为2.6米φ508×35的汇管加管帽，减小激振力。

方法：

将原C5001B与总管相连弯头前后焊口断开。

将原C5001A与总管相连弯头前后焊口断开。

用同心变径将φ508×35与原管线相连，用管帽封闭另一端开口。

将C5001A/B三排管线与φ508×35管线用承插焊方式连接，并增加加强圈。

增加支撑。

4、合成压缩机C5001B三出管线取直减少弯头的改造。

方法：

将原C5001B两道出口阀之间的管系由焊口处断开。

通过拆除的两个弯头使C5001B两道出口阀间管线直连。

并对新改关系增加两处支撑固定。

5、合成压缩机C5001A一入管线取直减少弯头的改造。

方法：

将原C5001A两道入口阀之间的管系由焊口处断开。

将原C5001A第二道截至阀与立管线向南平移，利用原弯头与汇管管线相连。

通过拆除的两个弯头使C5001A两道入口阀间管线直连。

并对新改管系增加支撑固定。

五、改造效果

改造前合成气压缩机运行92%负荷，A机在11.8Mpa工况下，B机在11.0Mpa工况下管系振动明显，存在严重安全隐患。

改造后合成气压缩机运行负荷100%，已非常平稳，满足生产、安全要求。

六、结论

气流压力脉动是引起天然气压缩机管道振动的主要原因，因此在配管设计中应采取消减气流压力脉动的措施，如在靠近气缸口附近安装缓冲器，在缓冲器法兰处安装恰当尺寸的孔板;管道设计中管道应尽量平直，尽可能减少弯头，避免急弯和空间三度转弯，要进行管系气柱固有频率和结构固有频率及结构振动响应方面的计算，避免发生气柱共振和机械共振，通过合理的计算采取合理的措施消减气流脉动。

此减振理论已通过实践验证，值得受此现象困扰的企业同行借鉴。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文