往复式压缩机管道振动原因分析及对策

学术论文 2018-01-11 11:20:27
    目前,往复式压缩机由于自身优势,在石化、化工行业中得到了广泛应用。而往复式压缩机结构复杂,容易出现故障,故障的表现形式是多样的,如管道振动是常见的故障,严重时导致泄漏、爆炸,威胁安全生产。一般情况下,往复式压缩机吸排气是间断性的,出口管道中气体流动不是定常的,导致出口管道中的气流压力与速度出现周期性变化,也就是会有气流脉动。气流脉动会引发管道振动,还有其他原因也会引起管道振动。管道振动会导致管道疲劳损伤,特别容易使小口径管道损坏;导致管道保温材料破损;管道振动及噪声对人体的不良影响等。管道振动会使管道各部件的连接部位发生松动与破裂,很容导致泄漏问题,严重时还会引发爆炸。所以要分针分析管道振动的原因,找出切实可行的措施消除管道振动,确保往复式压缩机的安全运行。往复式压缩机出现管道振动的原因是多样的,必须给予重视,本文主要分析往复式压缩机管道振动的原因,探讨消除往复式压缩机管道振动的措施。
    一、往复式压缩机管道振动原因分析
    (一)气流脉动引起的管道振动
    往复式压缩机管道振动是由多种原因引起的,但生产中的管道振动多是由气流脉动引发的。压缩机管道中充满气体即气柱,能压缩、膨胀,所以气柱本身是一个弹性振动系统,在周期性吸排气挤压下,会使进出口管道内的流体呈脉动状态,导致管内流体参数随着位置、时间做周期性变化,这就是气流脉动。气流脉动不仅会降低压缩机的容积效率,降低产量,加大消耗功率,还会引发管道强烈震动,威胁安全生产。从气流脉动大小与压力不均匀度来看,当管道的气流压力不均匀度增大时,振动频率就高,振动能量就会加大,对管道带来的破坏性也会越大。如果脉动气流通过管道弯头、分支管、阀门等时,压力不均匀度会引发管道振动的强大激振力,出现管道的机械振动。
    (二)共振引起的管道振动
    往复式压缩机管道内输送的气体是气柱,气柱能压缩、膨胀,有一定的质量。它本身固有的频率是气柱固有频率,管道及其组件构成一个系统,此系统结构具有一定的频率即管系机械固有频率。机组活塞往复运动频率是激发频率,其计算公式mn/60Hz。一般工程中把0.8~1.2的频率范围作为激发频率共振区,如果气柱固有频落在这个共振区内,会产生较大的压力脉动而引发气柱共振;如果管系机械固有频率落在这个共振区内,会引发结构共振,这都会导致不良后果。因此配管设计应避免发生气柱及结构共振,可通过调整气柱固有频率和管系固有频率来实现。
    (三)外力引起的管道振动
    管道振动的原因是多样的,如强风横吹时,会在管线背风面产生涡流而引发管道振动;地震会引发管道振动等。
    (四)机组振动引起的管道振动
    压缩机的机组动力平衡性能较差、安装不当、基础设计不当等,会引发压缩机机组和管道振动,进而影响与它连接的管道,引发管系振动。
    二、往复式压缩机管道减振措施
    (一)压力脉动减振措施
    气流脉动引发管道振动很常见,可以通过降低管内气流压力的不均匀度,减小气流压力脉动幅值来消振,这对缓解管道振动是非常重要的。
    1.避开气柱共振
    往复式压缩机要消振首先应避免气柱共振,因为共振带来的后果较为严重。通过计算气柱固有频率,错开气柱固有频率与活塞激发频率,达到消除共振的目的。
    2.设置缓冲器
    合适的缓冲器不仅能改变管系气柱固有频率,还能降低气流脉动的幅值,被认为是最简单有效的环节气流脉动的设施。但缓冲器容积大小与安放位置是非常关键的,为了充分发挥缓冲器的作用,应将缓冲器放在紧靠压缩机的进排气口。缓冲器和管道要采取合适的连接方式,实践证明,缓冲器容积比气缸每行程容积大10倍上,并且安装位置合适,流入管道的气流就会平稳,达到减振的目的。一般来说,缓冲器有两种形式,一是单个容器的缓冲器,二是两个容器串联形成的滤波型缓冲器。实际运用中,如果要缓冲器前管路内有较小的压力脉动,可以选用单个容器的缓冲器来消振;如果希望缓冲器后管路内有较小压力脉动,可以用滤波型缓冲器,两者各有自身优势。缓冲器与管道连接方式,对振动有较大影响。如果连接方式不合适,起不到相应的减振作用。
    3.增设孔板
    往复式压缩机在适当位置增设孔板,能降低管内的压力不均匀度,达到减振目的,是减振的有效措施之一。通常情况下,在大容器入口处安装合适孔板,使管道尾端不具有反射条件。同时孔板尺寸也会影响减振效果。
    4.设置气流脉动衰减器
    衰减器的原理是声学滤波原理,相比于缓冲器,衰减器有更好的减振效果,但是其结构比较复杂、形式多样,成本较高。目前,实践中运用的多孔声学滤波器是效果较好的,也是应用最广的,比较适合与油分离器配合使用。
    5.增设集管器
    管道并联运行时,会汇合处脉动量会迭加,迭加可能会使脉动相互抵消,也可能相互增强。为了避免出现这种问题,可以在汇合处安装集管器,一般情况下集管器的通流面积高于进气管通流面积总和的三倍以上。
    (二)改进管系结构措施
    往复式压缩机要消振,还要注意管系结构振动计算,将机械振动的振幅和动应力控制在允许的范围内。
    1.应对机械共振措施
    要避免机械共振,需要改变结构的固有频率,可以通过改变位置、数量等方法完成。压缩机的吸排气管道要与压缩机基础和建筑物脱开,不能在平台上生根,设计成独立的支架,并保证较低的支架高度,能有效避免机械共振。管道支架要设在拐弯、分支等附件,要采用特殊的抑振管架,不能只起承重作用。
    2.避免气流速度与方向突变措施
    管道内气液压力不均匀度较高的地方,应尽量保持管线平直,少用弯管。必须使用弯头的地方,要注意弯管的弯曲半径较大,转角尽量小,防止气液方向突然变化。在异径接头的地方,要尽可能减小收缩口角度,避免管径收缩突然性。
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