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往复式压缩机管系振动与控制措施探讨王锋

发表时间：2020/9/8 来源：《基层建设》2020年第14期作者：王锋

[导读] 摘要：往复式压缩机中的管系振动问题随着技术的逐渐应用日渐显现，这个问题不但在复式压缩机的使用过程里面显现，而且在复式压缩机的设计与安装时也暴露出来。

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        摘要：往复式压缩机中的管系振动问题随着技术的逐渐应用日渐显现，这个问题不但在复式压缩机的使用过程里面显现，而且在复式压缩机的设计与安装时也暴露出来。管系振动对于复式压缩机的正常运行有着浮现的作用，处理不当或者置之不理就会影响到复式压缩机的应用与发展。文章秉持更好地扩展复式压缩机的应用范围和发展潜力这一宗旨，具体分析了复式压缩机管系的特征，提出了处理管系振动的相应办法，对于分析所使用的美式AP1618标准做了详细介绍，并且针对性地形成了两大解决措施：一是管道震动控制，而是管道脉动控制。
        关键词：往复式压缩机；管系；振动分析；控制措施
        1 往复式压缩机管系振动的产生
        系统的管道振动会形成管系振动。对管道振动产生的原因进行探研应以管道振动为基点。管道产生振动的成因包括：压缩机参数设定不合理，输送压力波动范围过大和压缩机本身的振动是管道系统过度振动的重要因素。往复式压缩机具有一个工作特点，吸入和排出流量呈现周期和间歇的特点，难免会刺激入口管和出口管中的流体产生脉动，从而使管中的流体参数随位置和时间而周期发生变动。该情况也叫空气脉动。当脉动流体沿管道传输时，流经弯头、减压器、支管、阀门、盲板和其他组件时，会产生因时间而异的激振力。在此激振力的影响下，管道系统将发生相应的机械振动反应。管道的振动幅度和动应力会随着脉动力度的增强而呈正比例式增长，脉动强劲的气流将对阀门的正常开启和关闭造成重大的作用，运行功率随之降低。它还会引发管道系统做机械振动，导致管道配件过度疲劳而坏损，进而露出气体，严重时引起重大灾难，例如起火和爆炸。所以，往复式压缩机在设计管道的时候必须把减少气流的脉动作为首要目的。所谓管系振动，即往复压缩操作期间管道的振动。
        共振也是形成管系振动的原因之一。管道里面气体自成系统，，也叫作气柱。其自身频率即气柱的固有频率，单元活塞的往复频率即激励频率。管路和相应元件也组成一个系统。系统结构自身的频率即管道系统的固有频率。0.8〜1.2f的频率范围通常是共振区域。如果激励频率遇上气柱的固有频率，会有较强的振动压力产生，从而形成气柱的共振现象。另一种是机械共振，即激励频率遇上气柱或者管道的固有频率。所以，管道设计要注意协调好气柱以及管系的机械固有频率，尽力防止共振现象的发生。
        设备本身的振动是造成管系振动的第三大成因。机械会因为错误安装、动平衡性不良以及支撑不稳等原因形成振动，从而带着管系也发生振动。如果往复式压缩机安装在端点上，那么会出现因为管系压力造成的脉动。此时必须控制好脉动的空间，不要让脉动在管道弯角或者是横向截面产生激振力。在激振力的作用下，管道弯角和横向界面会倾向于受压力所迫而产生振动现象。
        2 管道振动分析中使用的控制标准
        往复式压缩机的管系振动探研早已经屡见不鲜，常常会用到美式AP1618（美国石油协会）标准：第一，把压力脉冲控制在标准范围内，第二，机械振动必须控制在标准范围内。机械振动标准和压力脉冲的标准数值是一样的，可以通过算式得出两者的联系。以下具体介绍美式AP1618的往复式压缩机管系振动的标准：首先，压力脉冲的标准算式。压力保持在一定区间的时候，譬如在0.35至20.7MPa之间，其不均匀的程度要根据标准算式来进行计算。公式是X =126.77/（Pdf）^（1/2），X表示压力不均匀程度，用于关系压力分布的测量上；P表示内部管道系统的压力平均值，也叫绝对平均压力，以MPa为单位；d表示管道内部直径，以mm为计量单位；f代表管道系统振动的脉冲频率，以Hz为单位。脉冲频率的运算，需要用到公式f = nm /60，其中的f表示脉冲频率，以Hz为计量单位，n表示往复式压缩机中流道的转速，以r / min为计量单位，m代表气柱的励磁频率的阶数。

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缓冲罐容量的计算公式是V1=9.27V（KT / M）^（1/2），V2= V1/ R ^（1/ K），V1代表缓冲液罐入口处的最小容积，以m³为计量单位；V2代表出口处缓冲罐的最小容积，计量单位同样是m³；K代表缓冲罐的绝热指数；T代表管道系统的吸入侧的绝对温度，以K为计量单位，所以管道系统的吸入侧的绝对温度与缓冲液是有关系的；M表示管中气体的分子数目；V代表缓冲罐连接钢瓶每次转动所吸入或外排的气体净体积总和，以m³为计量单位；R表示气缸的压力比。上述公式可用于计算往复式压缩机的管道振动分析的管控指标，能够把管系振动控制在可接受的系数区间里，从而使往复式压缩机能够有效运转。
        3管道振动的控制措施
        3.1 管道压力脉冲的控制措施
        往复式压缩机的基本运行依赖于气体的周期吸排，因此在往复式压缩机运行的时候不可避免地产生了脉动气体。要完全消除这种气体是不太现实的。不能消除就只能减弱它，达成稳定管控振动频率的目的。为此要先计算出管内气柱频率，来保证该气柱固有频率与活塞激励频率大不相同，规避共振现象的产生。气柱的固有频率能够使用下面的方式来进行改变，譬如对缓冲罐的尺寸、位置进行适当地调整工，使用内径适宜的管道，把管系的分支数量以及位置控制在合理范围内。此外，调整管段的末端条件、安装孔板的位置和适宜特性的气体介质也能够达到调节的目的，从而达成最终目的，即将气柱的固有频率和激发频率之间的数值差异保持字合理的区间。在避免气柱共振之外，缓冲罐同样需要安装在合理的地方，因为安装不正确也有可能产生管系振动。设计缓冲罐安装位置的时候，尽量保持和气缸接近，这是由于，缓冲罐靠近圆柱体的位置会在一定程度上增大气柱的固有频率和激励频率的数值差，从而减轻振动，同时缓冲罐能够调节气体的流动速率，因此可以减弱气柱对管道系统的影响。增加消振孔板，也是控制管道脉冲的一种手段其原理是消除压力驻波。提高管系压力均匀程度，从而减轻机械共振。综上所述，通过科学方法能够合理控制管道脉冲，让往复式压缩机能够服务更长时间，同时降低故障出现的频率，提高工作效率。
        3.2 管系振动的控制措施
        （1）进行管道固有频率的计算。保持气体固有频率和机械固有频率的数值差距（至少前三阶）。一般来说，中低压管道（≤8MPa），管道机械具有高于24Hz的机械频率。高压管道（p>8MPa），固有频率高于或等于28Hz。（2）满足管道柔性条件的同时，保持管道的垂直。这是由于管道会因为弯曲而降低刚度，机械固有频率也随之降低，导致激振力产生，形成振动。（3）用能够防止振动的支架，承受载荷或推力不能成为先决条件。由于防振管夹能够管控X，Y和Z方向的线性位移，因此它还能够管控内径小的管道RX，RY和RZ的角度位移，上述的承载和止推支架却只能做到管控单一方向的位置移动。把石棉橡胶板铺设在管卡和管道中间，能够维持两者的完全吻合。（4）每个支架之间的距离要合乎最低频率的需要。（5）管道尽可能在地表铺设，以利于支架的安装。如果管道太高，支撑件难以安装，支撑件的刚度也难以确保。附表有支架刚度的相关数据。框架结构适用于高度过高的支架系统，能够保持良性的刚度。（6）为了防止单元的不平衡旋转引起管道系统的振动，必须牢固地支撑入口和出口缓冲器，特别是临近压缩机处的支架一定要重点照顾。（7）质量集中的地方机械固有频率不高，所以适合加设支架数量。
        4 结语
        往复式压缩机的应用十分广泛，然而有管系振动的存在，对其全方位投入工业使用造成了制约作用。控制好往复式压缩机的管系振动问题，合理保持往复式压缩机的管系振动范围，能够让往复式压缩机具有更为广阔的应用场景，从而为建设社会主义工业强国添砖加瓦
        参考文献：
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