试析往复往复压缩机管道防振设计

摘要：本文详细讨论了往复压缩机管道防振设计的方法、步骤和应注意的问题。
关键词：往复压缩机，管道，防振设计

往复压缩机是炼油和化工装置中重要的设备。往复压缩机管道的振动是管道设计和机器运行中经常遇到的问题，如果不使这一问题得到解决，往往影响到装置的正常运行。近年来，在加氢裂化、加氢精制、制氢和重整等装置往复压缩机管道的设计中，总结了一套切实有效的防振措施，很好地防止了往复压缩机管道的振动，在机器操作时均未出现由于设计原因引起的管道振动问题，保证了装置的按期开工和正常运行。

1 往复压缩机管道振动的振源

往复压缩机的工作特点是活塞在气缸中进行周期性的往复运动，引起吸排气呈间歇性和周期性，管内气体呈脉动状态。管内气体参数，如压力、速度、密度等不但随位置变化，而且随时间作周期性变化，这种现象称为气流脉动。脉动气体遇到弯头、异径管、控制阀、盲板等元件后将产生随时间变化的激振力，受此激振力的作用，管道产生振动。管道产生振动的振源主要是管内气体的压力脉动。

2. 往复压缩机管道的防振设计方法

由于压力脉动始终存在，因此往复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，否则可能导致管道破坏。引起管道发生剧烈振动的主要原因有两个。一是气体压力脉动过大，导致激振力过大；另一原因则是管道发生结构（机械）共振。可能造成气体压力脉动过大的因素是，机器本身设计不合理、缓冲罐过小和管内气柱发生共振。管道发生结构（机械）共振的原因则是管道结构固有频率与机器激振力频率过于接近，使管道振动急剧增大。要减小管道的振动，必须减小管内气体压力脉动和避免管道发生结构共振。

2.1控制管内气体压力脉动和管道振动的分析设计方法

为了进行管内气体压力脉动和管道振动的控制，API-618对机器制造厂规定了三种分析设计方法。具体要求机器制造厂采用其中何种方法由写卖双方协商决定。
方法1：使用专利或根据经验设计的脉动抑制装置来控制脉动。合同中如有规定，还应对写方的管道系统进行简单的分析，为避免气柱的共振，确定重要管道的管长。该方法无须进行声学模拟分析。
方法2：使用脉动抑制装置和经过验证的声学模拟技术来控制脉动，同时通过图表等简化方法，根据跨距和支撑情况对管道各跨进行固有频率计算，避开激振频率。这种方法在进行声学模拟时要同时考虑压缩机、脉动抑制装置和管道系统，以及它们之间的相互影响。
方法3：与方法2相同，但要对压缩机气缸和组件以及相连的管道进行固有频率和振型分析，并且计算动应力。分析中应考虑声学特性（压力脉动）和机械特性（管道布置）的相互影响。

2.2 往复压缩机管道防振设计的步骤

往复压缩机管道防振设计的过程如下：
步骤1：在定货合同中应明确对机器制造厂的要求
1) 明确规定机器制造厂采用何种分析设计方法进行分析。
对于机器制造厂采用三种分析设计方法中的哪一种进行压力脉动和振动控
制，API-618中有一个推荐表格（见表3.1-1）。从表中可以看出，机器功率越大、出口压力越高时，要求所做的分析也越详细。
方法1只要求机器制造厂进行一些简单的简化分析，因此可靠性较差。方法2虽然要求对管道系统进行详细的声学模拟分析，但在管道的机械模拟分析方面过于简单，可靠性仍然较差。方法3要求机器制造厂对于机器和管道的最终设计方案在声学和机械两方面进行全面的分析和认可，它是一种安全可靠的方法。往复压缩机管道的振动原因比较复杂，它与机器本身和缓冲罐(脉动抑制装置)的设计制造有直接关系。如果要求机器制造厂采用方法1和方法2进行分析，一旦产管道生振动问题，很难分清是机器本身或脉动抑制装置存在问题还是管道设计存在问题。可能发生机器或脉动抑制装置存在问题引起管道振动，但机器制造厂却推卸责任的情况。要求机器制造厂采用方法3进行分析，就意味着机器制造厂最终将对机器和脉动抑制装置以及管道设计进行全面的分析和认可，因此一旦发生管道振动时，可避免责任不清的问题。由于上述原因，在可能的情况下应尽量要求机器制造厂按照方法3进行分析。根据API-618，一旦规定了所采用的分析设计方法，实际上也就对压力脉动和振动提出了具体控制要求。
表

3.1-1

2) 对缓冲罐容积大小提出要求
定货合同中，应要求机器制造厂在设计缓冲罐时，通过模拟分析，在满足对压力脉动的限制要求的前提下，可以适当减小缓冲罐的容积。
步骤2：通过计算共振管长和管系固有频率对管道布置和支撑进行调整
在布置管道时除了满足工艺要求外，还应避免管内气体发生气柱共振以及
管道结构共振。在管道防振设计中，首先应根据管内介质和激振频率计算可能发生气柱共振的管道共振管长，并使相应的管道长度避开0.8—

1.2倍共振管长。

步骤3：将经过计算的管道设计方案提交机器制造厂确认。
经过第2步的计算后得到的管道布置和支架的设计方案，已基本上能满足管道防振设计的要求，提交机器制造厂确认时，制造厂将按定货合同中规定的分析方法进行分析认可。

2.3 管道防振设计中应注意的问题

管道防振设计中应注意以下几个方面的问题。
1）管道布置
对于往复压缩机管道，在进行管道布置时应尽量沿地面铺设。这样有利于管道支撑；还应尽量减少弯头的数量，以减小激振力的作用。
2）支架
往复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。
防振支架宜设独立基础，尽量避免生根在压缩机基础和厂房的梁柱上。防
振支架的结构和支架的生根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。
3）管系固

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有频率分析
管系固有频率分析的目的是通过调整管道系统的固有频率使其避开机器的激振频率从而避开共振。固有频率与系统的刚度有直接关系，刚度越大固有频率越高。影响管系刚度的因素主要有管道走向、管径、壁厚和管道支撑状况。减少弯头个数、增大管径和壁厚、增设支架都将使管系刚度增大。大多数情况下管径、壁厚由工艺条件确定，不易改变，因此可以调整的主要是管道走向和管道支撑，在这二者中更常用的是通过增减支架来调整管系固有频率。
3．结论
往复压缩机管道的振动是机器运行时经常遇到的问题，本文从管道设计角度论述了往复压缩机管道防振设计的过程和方法，并对设计中应特别注意的问题进行了说明。数十台往复压缩机管道的防振设计实践表明，本文的方法有效、可靠，只要在管道设计阶段采取适当的防振措施，管道的振动问题是可以避免的。