循环氢压缩机入口管线减振分析

摘要： 本文通过对管道系统气流脉动和机械振动控制的研究并提出解决措施，以解决此振动问题。

关键词：入口管线减振分析

中图分类号： TU81 文献标识码： A 文章编号：

1．问题的来由

现场检查发现，某石油化工总厂循环氢压缩机入口管线从入口分液罐到催化剂分离器间管线及分离器出口段架空管线振动较大，且带动与其相连的设备和立柱一起振动。为达到安全运行的目的，通过对管道系统气流脉动和机械振动控制的研究并提出解决措施，以解决此振动问题。

2．问题的分析及解决

2．1气柱固有频率分析

往复式压缩饥的管流速一般都比较低(4～20m/s)。与气体的声速相比(空气常温下为340m/s)可以略去不计，把管内所含有的气体视怍静止的。称为气柱、气流脉动共振现象。

发生在激发频率与气柱固有频率相重合的时候，所以，欲避开气流脉动共振，需确定管系气

柱固有频率。

管系气柱是多自由度的振动系统．它有许多阶固有频率：气柱固有频率取决于系统内的介质参数以及管系尺寸、器件和管系的几阿配置。在压缩机端，气柱受到持久的周期性激发作用。激发频率也存在着若干阶。这些阶的激发频率若有一个与气柱固有频率重合，就会引起气柱共振。此时管流脉动激烈。做到任何一阶都不重合常常会遇到很大困难，通常要求避开一阶、二阶或更高一阶固有频率的共振，以便把脉动控制在允许的范围内。工程上规定，

激发频率与气柱固有频率的比值．若在0.8～1.2范围内。脉动都是大的，称此范围为共振

区。压缩机转速为333r/min，激发主频率的共振区为8.88～13.32Hz，要求气柱固有频率的

前三阶应避开激发主频率的共振区。

经过计算，结果表明：前三阶气柱固有频率分别为2.89Hz、10.48Hz、1 3.28Hz，第二、三阶频率落在激发主频率的共振区。要想避开，必须采取修改管道走向或加缓冲器、孔板等措施。缓冲器容积加大到0.69m m3时，前三阶气柱固有频率分别为2.1 6Hz、7.5Hz、8.7Hz，都避开了主频率的共振区。

2．2气流脉动分析

过大的气流脉动会引起管道的机械振动。消减气流咏动的方法是比较多的。可以根据实际情况，按APl618标准衡量原管系的压力脉动值是否在允许范围内，并采取相应措施。

改变缓冲器的容积是最简单有效的消振措施，但容积大小要合标准，安装位置要足够靠近气缸，才能使后继管线气流足够平稳，达到APl618标准。如果增设孔板．则孔板计算要精确，安装位置要恰当，还应计算孔板阻力损失，使损失在允许范围内。如果条件允许，采取适当改变管径、增加支管等措施也是行之有效的。

入口管系压力脉动不均匀度计算值最大点与API标准允许值的比较见表1。

表1入口管系压力脉动不均匀度计算值最大点与API标准允许值比较

计算结果表明：二阶主频下压力脉动值超过API标准。主要是由于入口缓冲器的容较小，为0.196 m3。而设计计算值为0.69 m3。如果修改管系后仍有振动时应加大缓冲器的容积。缓冲器的容积为0.69 m3。压力脉动不均匀度计算结果见表2。

表2入口管系压力脉动不均匀度计算值最大点与API标准允许值比较

计算结果表明：压力脉动值均符合API标准。

2．3机械振动分析

气流脉动的压力波动力与压缩机运行时的作用力和惯性力都影响着管道振动，同时管道的布置和支承情况也直接影响着管道振动，在脉动控制研究中显然已把脉动值控制在允许范围内，但如果管道的走向不当、支承间距不当或支承设计不合理，即使气流脉动不大，也同样会引起危险的管道振动。

机械系统有其本身的固有频率，当这些频率的某一阶或几阶与激发频率接近时，会发生机械共振现象，此时，管道振动较大。

另外，还应注意气柱系统固有频率与机械系统固有频率是否重叠的问题，研究工作的任务是使两者与激发频率在前几阶不重合。

从管道振动的观点看，对管系施加恰当的约束可以调整其机械固有频率，使机械固有频率与激振力频率不重合，支承要有足够的刚性以便控制残留的激振力所引起的振动。较低频率的振动模态是由管道的横向振动组成的．故在支承有足够刚度的基础上。在管道的径向不应有任何间隙，但应允许管道在轴向有位移的可能。

在管道的布置上，有集中质量(阀、法兰)等的部位应注意适当支承。另外在弯头、异

径管等存在激振力的部位，约束应尽量靠近这些地方，即使对于直径较小的管道也有避免长

距离无支承或悬吊的情况。在管道缓冲器上的阀或仪表等。也应将其支承在母管或容器上，

目的是为了防止这些元件一起振动时，形成不同的振动而导致破坏应力产生。避免将分支上

的阀或仪表等支承在振动物体上。因为两者振动不同会产生附加动应力。

管道跨距对于不同的管道配置是不同的，以保证每一管道在结构上具有合适的局部固有频率。为了增加管卡的阻尼，可使用少许可以压缩的衬垫材料，如石棉橡胶等材料，确保管卡与管道充分接触，在管的径向没有任何间隙。

根据压缩机的转速。计算的激发主频(二阶)为11.1Hz．共振区的频率范围(0.8～1.2 Hz)厂为8.88～13.32Hz。设计的原则应使压缩机的进出口管系的结构固有频率至少前三阶避开激发频率共振区的频率范围。下列数据是对压缩机入口管系的前十阶固有频率的计算结果：7.48Hz、16.05Hz、20.14Hz、25.87Hz、26.75Hz、26.8 7Hz、29.14Hz、29.30Hz、32.13Hz、32.17Hz。通过观察管系的各阶振动摸态可知．在7.48Hz、16.01Hz下的振动模态为架空管线振动，与现场观察的振动情况相同，而此几阶频率正好落在前三阶激振频率的共振区内。故应对管系的结构进行修改。

上述分离器出口架空管线振动的主要原因是用来支承的立柱的刚度较低，由于管线较高(EL+7000)，立柱的刚度设计很难满足要求。故必须将此架空管线修改为沿地面敷设，在地面设管墩支承。

修改后的管系固有频率计算如下：20.08Hz、24.95Hz、25.49Hz、26.24Hz、26.88Hz、29.30Hz、32.1 5Hz、32.1 7Hz、32.18Hz、32.23Hz。前几阶频率都完全避开了激振主频的共振频率区。

3．结论

通过上述分析可知，循环氢压缩机入口管线产生振动的主要原因有：用来支承立柱的刚度太小，无法满足防振的设计要求；人口缓冲器的容积较小，抑制气体压力脉动效果差。

针对上述情况经过有关分析计算后提出减振措施：将分液罐出口架空管线改为沿地敷设，标高从6000mm降到500mm左右，竖直管线在适当处增设支架，将入口原容积为0.196m3缓冲器的加大至0.69 m3。

采用上述减振措施后，使气柱固有频率的前三阶应避开激发主频率的共振区；管系压力脉动值均符合了API标准；管系固有频率前几阶频率都完全避开了压缩机激振主频的共振频率区；因此，减振措施取得了很好的效果。

参考文献：

[1]樊第博等·往复式压缩机管道振动分析及消振方法 科学技术与工程，2007年第7期；

[2]晁承龙·压缩机管道振动分析及减振措施，化肥工业，2005年第5期。

作者简介：贺亚刚（1966—），男，副教授，现为常州工程职业技术学院专业课教师，从事化工机械专业课教学工作二十多年。