往復(fù)壓縮機管道振動分析及減振措施

1、第37卷󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁化󰀁工󰀁機󰀁械󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁87往復(fù)壓縮機管道振動分析及減振措施李澤豪󰀁顧海明(南京工業(yè)大學(xué))*摘

2、83041;要󰀁針對一往復(fù)壓縮機組管道異常振動情況,通過現(xiàn)場測試以及對管道聲學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特性的詳細計算,分析了引起該管道振動的原因,提出了相應(yīng)的減振措施,使問題得到了解決。關(guān)鍵詞󰀁往復(fù)壓縮機󰀁管道󰀁振動中圖分類號󰀁TQ051󰀁21󰀁󰀁󰀁文獻標(biāo)識碼󰀁B󰀁󰀁󰀁文章編號󰀁0254󰀂6094(2010)01󰀂0087󰀂03♦

3、41;󰀁往復(fù)式壓縮機的管道異常振動對安全生產(chǎn)有很大的威脅,強烈的管道振動會使管路附件,管道的連接部位等處發(fā)生松動和破裂,輕者造成泄漏,重者由破裂而引起爆炸,造成嚴(yán)重事故1。壓縮機在運行過程中,由于吸、排氣是交替的,另外活塞運動的速度又是隨時間變化的,這種現(xiàn)象引起氣流壓力脈動2,是引起很多管道振動a.3級排氣管道󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁b.4級排氣管道的一個基本原因。消減管道氣流壓力脈動的一個重要措施是在壓縮機氣缸附近的管路上設(shè)置具有一定容積的緩沖器或聲學(xué)濾波器。不過,引起壓縮機

4、管道振動的原因比較復(fù)雜,大多與管道的設(shè)計、安裝和緩沖器的設(shè)置等因素有關(guān)。僅考慮緩沖器容積等單一原因往往是不夠的2圖1󰀁M型壓縮機3、4級排氣管道示意圖1󰀂󰀂󰀂壓縮機氣缸;󰀁2󰀂󰀂󰀂緩沖器;󰀁3󰀂󰀂󰀂支架1.2󰀁緩沖器容積的核算將該機組3、4級排氣管道的緩沖器容積與國內(nèi)通常應(yīng)取最小容積以及美國API標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小容積相比較,列于表1。表1󰀁緩沖器容積的有關(guān)數(shù)據(jù)緩沖器位置氣缸

5、行程容積緩沖器容積10倍氣缸容積API規(guī)定容積。本文對某化工企業(yè)往復(fù)壓縮機管道異常振動進行了現(xiàn)場振動測試和分析,提出了減振措施,使問題得到了解決。1󰀁管道振動的基本情況及相關(guān)計算1.1󰀁管線基本情況某化肥廠合成工段M型活塞壓縮機,7級壓縮,活塞行程0.36m,該機組自運行以來,其3級排氣管道一直強烈振動,尤其緩沖器附近管道振動更為激烈。廠方為此對緩沖器附近管段進行了加固,效果不佳。3級排氣管內(nèi)氣體壓力1.5MPa。管線走向如圖1a所示。緩沖器是立式布置,支腿式支撐。緩沖器后高、低架管道的高度差為3m。m3國內(nèi)廠家通常要求緩沖器的最小容積應(yīng)在氣缸行程容積的10倍以

6、上。石化企業(yè)多采用美國石油學(xué)會(API)的規(guī)定,按該規(guī)定,往復(fù)壓縮機緩沖器容積的最小值由下式計算3:8,88󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁化󰀁工󰀁機󰀁械󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

7、;2010年kTsVs=8(pD)MVd=Vs/R1/414管道氣流脈動情況尚不嚴(yán)重,好于4級排氣管道。(1)(2)緩沖器后管道內(nèi)壓力不均勻度最大值󰀂=5.42%,小于相應(yīng)許用值󰀂=6%。緩沖器前管道中󰀂=9.18%,壓力脈動值偏高。如果緩沖器前管道中有彎頭,脈動流體在管道的彎頭處沖擊會產(chǎn)生機械振動。表3󰀁大型對置式壓縮機壓力不均勻度的許用值󰀂壓力/MPa󰀂/%0.5280.51026102025205024󰀁󰀁󰀁式中󰀁Vs♦

8、42;󰀂󰀂最小吸氣緩沖器容積;󰀁󰀁󰀁pD󰀂󰀂󰀂氣缸每沖程吸入凈容積;󰀁󰀁󰀁k󰀂󰀂󰀂氣體介質(zhì)絕熱指數(shù);󰀁󰀁󰀁Ts󰀂󰀂󰀂吸氣溫度,絕對華氏溫度;󰀁󰀁󰀁M󰀂󰀂󰀂氣體分子量;󰀁

9、󰀁󰀁Vd󰀂󰀂󰀂最小排氣緩沖器容積;󰀁󰀁󰀁R󰀂󰀂󰀂氣缸壓力比。由表1可見,該機組3級排氣管道的緩沖器容積1.4m,符合要求;該機組4級排氣管道的緩沖器容積只有0.52m,偏小,不符合要求。但現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),3級排氣管道的振動十分激烈,而4級排氣管道的振動相對要緩和得多?，F(xiàn)場采用便攜式測振儀測得加固后3級排氣管道振幅仍達到947󰀁m,未經(jīng)加固4級排氣管道振幅為462󰀁m,遠小于3級排氣管道。因此

10、可以判斷3級排氣管道的振動與緩沖器容積無關(guān)。1.3󰀁管內(nèi)氣流壓力不均勻度的計算采用一維非定常氣流的數(shù)值計算程序計算了3、4級排氣管道內(nèi)的氣流壓力不均勻度󰀂,見表2。󰀂的表達式為:pmax-pmin󰀂=p0式中󰀁pmax󰀂󰀂󰀂最大脈動壓力;󰀁󰀁󰀁pmax󰀂󰀂󰀂最小脈動壓力;󰀁󰀁󰀁p0󰀂󰀂ϗ

11、042;平均壓力。表2󰀁各管道的壓力不均勻度󰀂計算值管道名稱名義壓力/MPa緩沖器前󰀂值/%緩沖器后最大󰀂值/%3級排氣管道4級排氣管道331.4󰀁管道的結(jié)構(gòu)固有頻率分析采用ANSYS的模態(tài)分析軟件計算了3級排氣管道的結(jié)構(gòu)固有頻率,管道模型相應(yīng)用直管單元PIPE16和彎管單元PIPE18建立,緩沖器為圓柱形,作為較粗的直管用直管單元PIPE16處理。該管道前4階結(jié)構(gòu)固有頻率分析計算結(jié)果見表4。表4󰀁3級排氣管道結(jié)構(gòu)固有頻率計算值Hz階數(shù)頻率值11.958823.833635.268747.5213壓

12、縮機的轉(zhuǎn)速為333r/min,單缸單作用,算得其激發(fā)頻率為5.55Hz。由表4可知,激發(fā)頻率與管道3階結(jié)構(gòu)固有頻率十分接近,會產(chǎn)生3階機械共振。2󰀁管道振動原因分析及減振措施2.1󰀁管道振動原因分析由以上計算及比較分析可知,該壓縮機組3級排氣管道的緩沖器容積及管內(nèi)氣流壓力脈動情況明顯好于4級排氣管道,但其管道振動情況卻比4級排氣管道嚴(yán)重。3、4級排氣管道的布置示意如圖1所示。3級排氣管氣缸至緩沖器間的管道有彎頭,無支座。緩沖器立式布置,3支腿支撐,緩沖器附近管道也沒有支座。這一段管道系統(tǒng)(包括緩沖器)的剛性很差,受到氣缸排出氣流脈動激勵時,管道和緩沖器本身(主要

13、受到水平方向激勵)將激烈振動。而4級排氣管氣缸至緩沖器間的管道是直管,無彎頭,氣流脈動在此不會產(chǎn)生激勵。緩沖器是臥式布置,剛性很好,受到氣缸排出氣流脈動的激勵(),表3為前蘇聯(lián)列寧格勒化工機械研究院所提出的關(guān)于往復(fù)式壓縮機管道氣流壓力不均勻度的許用值󰀂的標(biāo)準(zhǔn)用表中較大值。將計算所得3級排氣管道內(nèi)的氣流壓力不均󰀂1。壓力較低、頻率較低、管徑較小、較輕氣體或含氫混合氣的許用值󰀂可采第37卷 第1期 化 工 機 械 烈振動。由此可知,3級排氣管道的異常振動主要與管線及緩沖器設(shè)置不當(dāng)有關(guān)。其次,3級排氣管道緩沖器后管架高度在3m以上?，F(xiàn)場看到管道支撐處雖

14、有管卡,但管卡與管子之間的間隙明顯可見,管卡沒有起到限制管道的作用,管道相當(dāng)于擱在高高的支架上,因此該管系的剛度很低。由表4可知,3級排氣管道的一階結(jié)構(gòu)固有頻率僅為1.9588Hz,而一般壓縮機管道的一階結(jié)構(gòu)固有頻率應(yīng)不低于58Hz。該管道的剛度明顯偏低。剛度很低的管道,即使避開了基頻或低階共振頻率,由于高階共振仍然會產(chǎn)生很大振幅。由此可以判定,管道的激烈振動是由于其結(jié)構(gòu)缺陷所致。2.2 減振措施根據(jù)以上分析,減緩該壓縮機組3級排氣管道振動可從以下方面考慮:a.將緩沖器臥式布置,支座由支腿式改為鞍式,進入緩沖器的氣流方向由水平改為垂直;b.緩沖器至氣缸之間管道采用直管,氣缸附近避免出現(xiàn)彎頭;c

15、.將緩沖器后的高架管道去掉,使之為低架管道;d.加固管子支撐,在管子與管卡間填一層43mm厚石棉橡膠墊,提高緊固質(zhì)量。改進后的管線走向與4級排氣管道類似,如圖1b所示。計算表明,其管內(nèi)氣流壓力脈動情況基本不變,但其一階結(jié)構(gòu)固有頻率提升為15.860 (上轉(zhuǎn)第20頁)89Hz,管道剛度顯著提高。而且該管道在氣缸附近避免了氣流壓力脈動的激勵作用。廠方根據(jù)以上消振措施對壓縮機管道進行改造后,取得了滿意的效果。3 結(jié)束語引起管道振動的原因比較復(fù)雜。只有采用科學(xué)的方法仔細分析,準(zhǔn)確找出振動原因,才能取得滿意的效果。下列因素在往復(fù)壓縮機管道設(shè)計時應(yīng)引起重視:首先,設(shè)計緩沖器,不僅要考慮其應(yīng)有足夠的容積,還

16、要有足夠的剛度,注意其布置和固定方式;其次,在氣缸與緩沖器間管段,盡量不要出現(xiàn)彎頭,以便避免受到較強的氣流脈動激勵;還有,盡量減小管道的高度,并注意使管卡對管道的有效作用。參考文獻3 盧鵬飛,彭堅恒,孫其華等.美國石油學(xué)會(API)標(biāo)準(zhǔn).壓縮機技術(shù),1987(4):2227(收稿日期:2009 09 07)OptimumDesignoftheHorizontalInternalPressureVesselsBasedonCellularAntAlgorithmLIUYu,MALiang(UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai,200093,China)Abstract Amathematicalmodelofoptimumdesignwasfoundedbasedontheprinciplesandmodelsofcellu larantalgorithmwiththeleastshellqualityofhorizontalinternalpressurevesselsasdesignobjectandwiththeinnerdiametersandwallthicknessesofthehorizontalinternalpressurevesselsasthemathematic