高密度聚乙烯装置乙烯及回收压缩机管道振动分析及消振措施

摘 要 HDPE装置乙烯及回收压缩机型式皆为往复式压缩机，在初期开车运行期间，其出入口管道振动较大，影响到设备的正常运行，通过分析引起往复式压缩机气体管道振动的原因并找出了消振方法，解决了问题，保证装置的正常生产运行。

关键词 往复式压缩机；管道振动；消振方法；振动分析

中图分类号X3 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）92-0097-03

乙烯压缩机为沈阳远大压缩机厂制造，型号为2D32-21.5/29-51，输送介质为乙烯原料气，该压缩机为反应器乙烯原料气增压设备，界区乙烯压力为2.7～3.0Mpa通过压缩机增压之后为5.0～5.2Mpa，从而使其进入反应器参加反应。

低压溶剂回收压缩机为天华化工机械及自动化研究设计院设计，无锡压缩机股份有限公司制造，型号为ZW-71.43/0.23～16型四列双作用往复迷宫压缩机。该压缩机是国产化重点攻关项目，该种型号机型是我国首台应用于聚烯烃装置的压缩机。该压缩机负责HDPE装置低压溶剂（主要成分为异丁烷）回收的任务。如果压缩机发生故障，那么HDPE装置面临着停车危险。

从以上能看出乙烯、低压溶剂回收压缩机为HDPE装置的关键设备。但是在开车生产的过程中发现这两台压缩机出入口管道振动剧烈，尤其以乙烯压缩机为最。这种情况威胁装置的正常安全生产，必须采取措施有效降低其振动烈度。

1乙烯、低压溶剂回收压缩机管道振动的基本原因

1.1 现场情况

在2009年12月15日HDPE装置第一次开车成功之后，发现乙烯压缩机出入口气体管道振动剧烈，振幅最大处达到X：18.6mm Y：6.2mm Z：7.6mm；低压溶剂回收压缩机在一级出口之后振动增大，二级缓冲罐出口到气动阀XXV-50040之间振动最为剧烈，最大振幅为12.3mm。在生产运行当中曾经多次因为管道振动过大而造成管道疲劳断裂。

在设备实际运行当中引起往复式压缩机出入口管道的原因多种多样，总体来分有以下几点。

1.2 气流脉动

往复式压缩机的工作特点是吸、排气流呈间歇性和周期性，这种特性就不可避免的要激发出入口管道内的介质呈脉动状态，使管道内介质参数，随位置及时间作周期性变化，这种现象称为气流脉动。脉动气流沿管道输送时，遇到弯头、三通、大小头、分支管、阀门等元件将产生随时间变化的激振力，受该激振力作用管系产生一定的机械振动响应。压力脉动越大，管道振动的振幅和动应力越大。

1.3 气柱固有频率与气柱共振

管道内的气体构成一个系统，称为气柱。气体像任何振动物体一样，具有一定的质量，可以压缩、膨胀，具有一定弹性，故气柱本身是一个振动系统。当气柱收到一定的激发之后，就会形成一定的受迫振动。振动的结果表现为压力脉动，当脉动的气柱遇到弯头、三通、异径管等时就形成激振力。

气柱本身具有的频率为气柱的固有频率，活塞的往复式机械运动的频率称为激发频率，管道及其组成件组成的系统结构本身具有的频率称为管系机械固有频率fn。通常把（ 0.2～1.2） fn的频率范围作为共振区，当气柱固有频率落在激发频率的共振区内时，将发生气柱共振，产生较大压力脉动。当管系机械固有频率落在激发频率的共振区或气柱固有频率的共振区时，将发生结构共振。

1.4 机械振动

当管道、管道附件、容器、支架等，受到激发后产生机械振动，即通常所说的管道振动。当激发力的频率与管道系统的固有频率之一相等或相近时，就形成了机械共振，此时出现最大的振动幅度。当激发频率、气柱固有频率、管道结构固有频率三者相等或相近时，出现最严重的管道振动。

1.5 压缩机气体管系布局设计存在缺陷及压缩机本身构造特性原因

1.5.1管道布局存在缺陷

在乙烯、低压溶剂回收压缩机气体管道在布局上存在不足之处，使得压缩机的出入口管道上90度弯头过多，无形中造成脉动冲击力增大，这是造成这两台压缩机振动过大的主要原因

1.5.2回收压缩机阀门选用不合理

在压缩机气体管系内应尽量选择冲击阻力最小的阀门，例如球阀。但是在低压溶剂回收压缩机二级缓冲罐出口位置的阀门则为截止阀。由于截至阀的本体构造原因，会在阀体部位产生较为明显的涡流现象。对压缩机的管系振动来说又是一种振源。

1.5.3 乙烯压缩机气缸对管道的激发作用

图1 压缩机布置简图

往复式压缩机进出口管道内的气流受气缸吸气和排气的激发脉动状态与气缸对管道的作用方式直接相关。作用方式是指各气缸气阀开启时间的长短及相位差，开启时间的长短和压力有关，相位差则取决于气缸的结构和曲柄错角的配置。

以乙烯压缩机为例，如图1。

乙烯压缩机为对称平衡式双作用压缩机，该种型号的压缩机曲柄错角ɑ=00时，管道内气流脉动的相互叠加脉冲最大。所以乙烯压缩机管道振动也和气缸的分配方式有关系。

2 管道振动的解决措施

往复活塞式压缩机气流脉动无法避免，故管道振动也无法避免，我们要尽可能地把振动控制在一定范围，保证管系长周期使用不破坏。

2.1通用措施

压缩机气体管系振动的防治在经过多年的研究，已经有了一些切实可行的方法。这些方法现在被视为通用措施：

1）增设管架

适用场合：（1）激振力大引起振动；（2）机械共振

2）增设孔板

适用场合：气流脉动大引起振动

3）增设缓冲器

适用场合：气流脉动大引起振动

4）设计改造管道

适用场合：（1）弯头过多等引起激振力过大；（2）气柱共振；（3）机械共振

5）增设声学滤波器

适用场合：气流脉动大引起振动

6）管道根部增加筋板

适用场合：管道根部经常裂纹

以上是以往通用方式及适用场合，随着科学技术不断发展，对于管道振动方面有了一些新的方法。

2.2管道粘滞阻尼器

2.2.1管道粘滞阻尼器解决管道振动的原理

欲降低管路的振动，关键是耗散掉其振动的能量。管道粘滞阻尼器正是利用阻尼器腔内的粘滞性高分子液体作为介质，通过导向杆与管道连接，将管道振动产生的动能迅速传递至高粘性液体，并转化为热能释放，保证能量不会传到往复压缩机或者其他管道上，实现降低振动的目的，同时对往复压缩机没有任何副作用，

2.2.2管道粘滞性阻尼器的独特性能

1）可降低管道各个方向的振动，使振动波形一次衰减不震荡；

2）对运行振动与冲击荷载一样有效；

3）在所有自由度上对振动的反应都毫不延迟；

4）可以在不停机的情况下安装；

5）没有磨损件，不用维修，使用寿命长。

6）对往复压缩机没有任何副作用。

根据其独特性能，再结合现场设备实际情况可以很方便的找出消振措施，并加以实施。

3 采用措施及效果

通过对以上振动原因的分析并结合当时实际情况，分别对乙烯、回收压缩机采取了增设管架、增设孔板、增设管道粘滞性阻尼器的措施。

3.1乙烯压缩机采取措施及前后振动情况对比

3.1.1采取措施

根据乙烯压缩机气体管系本身特点（对已经安装好的管道从新设计改造，从时间和成本上不可实施），采取了以下两种方式：

3.1.2增设孔板

在管道通向大容器入口处加装一个适当尺寸的孔板，可以把这段管道内的压力驻波变为行波，从而起到降低管道内压力不均度的作用。

最容易确定的压力波节点是容器的进出口法兰处，孔板应装在这种地方。孔板在无反射点上的最佳尺寸一般取孔板内径与管道内径之比d/D=0.43～0.5，低声速的气体（如空气和空气相近的气体）取上限值，高声速的气体（如氢气或轻质气体）取下限值。孔板厚度为一般3mm～5mm；孔板内不得倒角，需保持锐利棱角。

乙烯压缩机分别在其两个进气缓冲罐入口法兰、两个排气缓冲罐出口法兰连接处增设孔板。

3.2增设刚性支撑及改进管卡形式

增设刚性支撑应注意以下几点：

1）管架尽可能增设在振幅最大处；

2）在靠近弯头的两端，在接近三通交叉处的三个支管上均应设置管卡。不可一点强行固定，而要多点分散固定，尽可能降低管道的附加应力；

3）尽可能在振源点设置管卡；

4）根据激振力产生方向设计管架的强度与刚度；

5）管道固定的位置应是其自由状态，切忌撇劲而增加附加载荷；

6）在具有振动的场合应避免管道与管道、管道与管架、管道与紧固螺栓等直接摩察。

改进管卡形式：

通过改进前后的对比显示采取措施较为理想的解决了问题。

3.3回收压缩机采取措施及前后振动情况对比

3.3.1采取措施

3.3.2 改进前后对比

通过改进前后的对比显示采取措施较为理想的解决了问题。

4结论

通果以上论述可以看出，往复活塞式压缩机气流脉动无法避免，故管道振动也无法避免，我们根据现场设备的具体情况和当时生产需要尽可能地采取措施把振动控制在一定范围，保证压缩机气体管系能够长周期使用不破坏。对于压缩机管道振动防治这一课题，最好的方法是在设计初期就对压缩机的管道振动进行仔细的分析，在管道布局，管件的选择，支撑的刚性及管夹的形式上都要注意，以避免在安装完成之后，因为时间和成本的限制给生产单位造成生产上的安全隐患。

参考文献

[1]沈庆根，郑水英.设备故障诊断.北京：化学工业出版社，2005，11.

[2]唐永进.往复压缩机管道的防振设计.石油化工设备技术，2001，22（3）：35-39.

[3]张德姜，王怀义，刘绍叶，等.工艺管道安装设计手册第一篇（设计与计算）.北京：中国石化出版社，2OO9.

[4]张瑞琳.活塞式压缩机管道系统振动分析及改进.流体机械，2000，28（6）：40-42.