往复式压缩机管路的振动分析

秦 磊,姜继伟

(中油华东设计院有限公司,山东 青岛 266071)

往复式压缩机是炼油和化工行业重要的转动设备，其管路振动是管道设计和生产运行中常见问题，会影响到整个装置的正常运行。因此，研究压缩机管路的振动原因和对其进行振动分析显得尤为重要。本文针对往复式压缩机的配管设计进行振动分析，并对不合理处提出解决措施。

1 往复式压缩机振动原因

往复式压缩机工作特点是活塞在气缸中做往复运动，吸气和排气是间歇性的，导致输送管系的流体的压力、速度等做周期性变化，这种现象称为气流脉动。脉动气流遇到弯头、阀门、盲板等会产生随时间变化的激振力，受激振力作用，管道会产生振动。由于速度脉动引发的激振力还不到10%[1]，因此管道振源主要是压力脉动。由于压力脉动存在，往复式压缩机管道不可避免的存在振动，但不应是剧烈振动，否则会导致管道破坏。从而，引起管道振动原因主要有两个：一是气压脉动过大，导致激振力过大。这往往是机器本身设计不合理，缓冲罐过小和管内发生气柱共振引起；二是管道发生结构共振。这主要是管道结构固有频率与机器固有频率接近，使管道振动加剧。因此要减小管道振动，必须减小管内气体压力脉动和避免管道发生结构共振[2]。

2 管道振动分析设计方法

API-618规定了三种分析设计方法。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。无需进行声学模拟。方法2：使用脉动抑制装置和经过验证的声学模拟来控制脉动。此方法在进行声学模拟同时要考虑压缩机、脉动抑制装置和管道系统及三者的相互影响。方法3同2相同，但要对气缸组件和相连管道进行固有频率和振动分析，考虑压力脉动和管道布置的相互影响[3]。往复式压缩机振动分析主要由制造厂负责完成。管道设计完成后，将管道和支架布置提交制造厂，制造厂按照合同要求，选择一种方法进行振动分析，并将分析结论和整改要求提交管道设计单位。

3 振动分析实例

主要截取压缩机出口管道进行分析。该往复压缩机为单作用压缩机，转速为375r/min，进气压力0.5MPa排气压力3.8MPa，工作介质以甲烷为主。此往复机管路按照以下振动分析要求整改后，已投产运行，并没产生不合理振动。

3.1 气流脉动分析

气流脉动计算分析包括两方面的内容：气柱固有频率计算和管道内压力脉动的计算。气柱固有频率的计算是把管系气柱固有频率计算出来，避免气柱固有频率和激发频率重合，发生气柱共振，是气流脉动分析的第一步。压力脉动计算是将管道内的压力不均匀度计算出来，通过合理的方法将其控制在容许范围之内。由于只有在弯头、异径管处才产生激振力，因此，以下只对弯头，异径管处的压力脉动进行分析。

激发频率 按公式(1)计算，前3阶激发频率分别为：6.25Hz，12.5Hz，18.75Hz

(1)

n为压缩机转速，r/min； m为简谐阶次；当激发频率等于0.8～1.2倍气柱固有频率时产生气柱共振。

图1 二级排气管路

图2 14节点压力波形图 表1 管道内气柱固有频率

气柱固有频率阶次123频率/Hz1.605.8017.39

从表1中看出，激发频率的第1阶处于气柱第2阶固有频率共振范围之内，因此该段管道有可能发生气柱共振。计算压力脉动的管系见图1所示。二级排气管路压力脉动幅值最大的弯头为14节点，峰-峰值为1.42%，如图2所示。

2.2 管路振动分析

2.2.1 有限元模型

压缩机排气管路的有限元模型见图3。二级排气温度129℃，排气压力3.8 MPa。

图3 压缩机排气管路模型图

2.2.2 模态分析结果

进行模态分析得到管道的固有频率见表2，可以看出，第1～3阶固有频率低于基频的2.4倍，即15Hz，因此管道需要通过调整支架来提高管道的固有频率。管路节点2070、2080、2090、2100、2120、2130由原来的滑动支架改为导向支架；管路节点1350、1950、2030、2010、1030、1050加导向支架；管路节点870、970、1280加防振支架。节点1300由原来的滑动支架改为防振支架。经改进后管道的固有频率得到提高，同时避免了共振的发生，见表3。

表2 排气管路固有频率

表3 改进后的排气管路固有频率

4 结论

根据往复式压缩机振动原因和振动分析方法，对某往复式压缩机的出口管路进行振动分析，得到以下主要结论：

(1)引起管道振动原因主要有两个：一是气压脉动过大，导致激振力过大。二是管道发生结构共振。

(2)二级排气管路可能会发生气柱共振，但由于此管道的压力脉动值不大，可暂不做处理。如发生气柱共振，采取的措施有在缓冲器入口或出口处设置孔板及其它气流脉动衰减装置。

(3)出口管道的机械固有频率偏低，必须按模态分析结果要求增加支架或调整支架形式。

[1] 许爱荣,张 力.往复压缩机输送管系振动分析与消振改造研究[J].广东化工,2017,44(11):238-239.

[2] 唐永进.往复压缩机管道的防振设计[J].石油化工设备技术,2001,22(3):35-38.

[3] American Petroleum Institute.API Standard 618 Reciprocating Compressor for Petroleum[S].Chemical and Gas Industry Services,2007.