往复式天然气压缩机管线振动分析及减振措施应用

摘 要：天然气压缩机是油田伴生气处理装置使用最多的增压设备，在装置运行过程中会由于气流脉动、共振、机组振动、声学振动等各种原因引起压缩机管线振动。长时间的管线振动会引起管件连接松动、焊缝破坏、仪表失灵等危害，严重时可能导致管线破裂，引起天然气泄漏着火爆炸，严重影响装置安全运行。本文通过对压缩机管线振动原因的分析，将探讨适合天然气压缩机管线的减振措施及现场应用效果比较。

关键词：天然气压缩机 管线振动 减振措施

1引言

中原油田采油一厂所用往复式压缩机主要作用是为油田伴生气增压。在压缩机及其工艺管线设计时，虽然从生产工艺条件、土壤条件、设备本身等方面考虑了压缩机管线振动影响并采取了管卡、支墩等固定形式，但由于工区特殊的土壤地质条件和装置经过较长年限运行，设备本身工况也发生了较大变化，在运行过程中管线振动明显。长时间的管线振动既降低了压缩机的容积效率，减少排气量，损耗功率，导致吸、排气阀以及控制仪表使用寿命缩短；更严重的是管线与其附件连接部位易发生松动和破裂，影响管线附属仪表的显示精度，对装置安全生产运行构成严重威胁。严重时引起管线焊缝断裂，发生天然气泄漏燃烧或爆炸事故。所以认真分析管线振动原因并采取有效措施尽可能消除管线振动对天然气处理装置安全运行有重要作用。

2 压缩机管线振动原因

天然气压缩机主要工艺管线有循环水系统管线、油系统管线和天然气压缩关系。由于压缩机水、油系统压力一般低于天然气管线，而天然气管线中二级排气管线压力较一级进气、一级排气和二级进气压力高，同时大量现场实践也证明压缩机二级排气管线是所有管线中振动最为明显的，所以以二级排气管线为分析对象对整套管路进行分析。选取的压缩机是两级往复式压缩机，由电动机驱动，从结构可分电动机、机身部分和压缩部分。机组的电动机通过靠背轮和压缩部分的曲轴相连。压缩部分有两级4缸，呈180℃对称平衡布置曲轴两边，电动机产生的动力通过靠背轮和曲轴连杆机构传递给压缩机做功。

天然气压缩机在运转过程中的管线振动主要来源于以下几方面：

2.1 气流脉动：

管道内天然气的压力、速度、密度等参数随时间呈周期性变化的现象称气流脉动（或称管流脉动）。往复压缩机由于吸、排量的间歇性和周期性使管道流体的压力、速度、密度等参数发生变化，这种变化既表现在随位置的变化也表现在随时间的变化上。脉动气流在管道运输过程中遇到弯管、三通、阀门、法兰、盲板、异径管等管道元件时会产生随时间变化的激振力，这些激振力作用于管道和附属设备产生振动。通常用压力不均匀度δ来表示气流脉动，其表达式如下：

δ=（Pmax-Pmin）/P0×100%

其中：

P m a x―不均匀压力的最大值（绝对压力），Mpa

P m i n―不均匀压力的最小值（绝对压力），Mpa

P 0 ― 平 均 压 力 （ 绝 对 压力），P0=（Pmax+Pmin）/2，Mpa

通过现场实测，上式中Pmax≈1.85 Mpa，Pmin≈1.70Mpa

则δ=（1.85-1.70）*2/（1.85+1.70）×100%=8.45%

可以看出，该压缩机二级排气管线压力不均匀度δ超过了标准值，气流脉动明显。由于压力脉动始终存在，因此往复式压缩机管道在允许范围内存在某种程度的振动是正常现象，但应该避免发生剧烈振动，并采取有效措施降低压力不均匀度许用值，否则可能导致管道破坏。

2.2 共振

管路系统内所容纳的气体称为气柱。气柱本身就像振动系统中的弹簧一样，气柱可以压缩膨胀，并有一定的质量。因此，气柱本身就是一个振动系统，在一定激发力作用下会发生振动。压缩机活塞运动时周期性地向管路吸气、排气对管路中的气体产生激振力，引起气柱振动。当压缩机激发频率为（0・8～1・2）倍的气柱共振频率时，管道中的气柱处于共振状态，此时气流压力脉动异常严重，将引起管道、压缩机和基础的强烈振动。按照美国石油学会标准，该 压 缩 机 激 发 频 率 为 ： f =mn/60=4×420/60=28 Hz式中：f―激发（脉动）频率，Hz；n―转速（n=420），r/min；m―压缩机每转激发次数，双缸双作用时m=4。

通过对压缩机管线进行Ansys软件的模态分析得到二级出口管线前5阶固有频率。

从前5阶固有频率与压缩机激发频率对比可以发现，压缩机管线基本不存在共振。影响气柱固有频率的因素除介质（气体）的组成外，还有缓冲罐的尺寸和设置位置、接管直径的大小、管系的分支、直管段长度、管段端点状态等，改变这些条件可以改变气柱的固有频率。

但由于管线中仪表接口、排污口、放泄阀等影响，不排除其引起共振的可能性。

2.3 由压缩机本身的振动引起管线振动

由于机组动平衡性能差，安装不对中，垂直度差以及基础、底座设计不当所引起的振动，也可使连接管线发生振动。该机组于1990年投产，至今已运行21年时间，运行期间由于地基下沉、支撑断裂、管卡松动等原因，管线位置和固定状态均与设计要求发生了较大变化。因此，由压缩机本身的振动引起管线振动是最重要的一个因素，后期采取的消除振动措施也证明了这一点。

2.4 声学振动

如果管线内流体的流动特性发生变化，会引起管内流体会产生一定频率的振荡，管线就会产生轻微的横向振动。这种振动也符合谐波形式，它会使管线产生一定的横向位移。该机组从设计运行至今，管线布局和机组主要运行参数未发生重大变化，因此声学振动对管线振动影响在此仅作参考。

3 现场减振措施的实施

通过过BTD-NICC压缩机二级出口管线振动原因分析，可以看出，其主要原因是气流脉动和机组本身振动引起的。因此降低压力不均匀度δ和消除机组本身振动是将采取的主要措施。

3.1 降低压力不均匀度，减降低气流脉动影响

要降低压力不均匀度，通常对管线增加孔板来实现。但经过对现场管线布局和厂房布局勘察后，发现不宜增加孔板，但在压缩机出口缓冲罐后可以增加1个平板闸阀，对出口气流进行适当控制并及时调整。同时，加强对机组进气压力的控制，使其漂移不超过±0.01MPa，方案实施后，δ降低至6.7%，基本接近许用值。

3.2 增加管线支承，消除机组本身振动

要消除压缩机组本身和管线本身振动，除加强机组和管线原有支承、地脚螺栓紧固，增加新的管线支承也是一个有效途径。2010年，对压缩机二级出口管线增加了三个固定支承，主要增加在管线弯头和较长的直管段中间，如图中黑色三角形所示。通过以上两项减振措施的实施，压缩机二级出口管线振动明显减小，实施前后现场检测振幅结果对比得出，

在对BTD-NICC压缩机实施完减振措施后，天然气处理站对站内其他压缩机也进行了类似减振改造，均取得了良好效果。

4结论

往复式天然气压缩机管线振动式多种原因造成的，除了设计、安装外，在现场使用过程中只有通过对管线振动主要原因进行分析和理论计算，找到振动主要原因并采取相应措施，才能有效降低了压缩机管线振动，取得了更好的安全效益。

参考文献

[1]韩丽艳，等.超高压往复 压 缩 机 管 线 振 动 的 分 析 ，压 缩 机 技 术[J]，2008，（3），18-20.

[2]刘允刚，等.往复压缩机管线振动原因识别方法综述，压缩机技术[J]，2010，（3），7-11.