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    往复式压缩机管道的减振设计
    发布时间:2021/9/24  浏览次数:56 次  来源:本站

    摘   要:往复式压缩机进出口管道产生振动的主要原因是压力脉动和共振。管道设计完成后需要对管系进行脉动分析和振动分析,将压力脉动控制在合理的范围内,同时避免管系发生共振。介绍了某石化公司液相加氢新氢压缩机的分析实例,并提出了工程设计中减轻管道振动的一些措施。


    关键词:压力脉动;共振;减振


    往复式压缩机是加氢、催化裂化、重整等炼化装置中的重要设备,其管道振动问题一直是困扰设计人员和车间工作人员的难题。持续的振动会使管道发生疲劳损伤,导致连接部位破裂、介质泄漏,对装置的安全及稳定运行造成严重威胁。因此必须采取措施将往复式压缩机的振动控制在合理的范围内。


    1  振动产生的原因


    压力脉动是往复式压缩机进出口管道发生振动的首要原因,也是振动无法根除的内因,这是由往复机间歇性、周期性的工作特点决定的。该工作特点致使管内流体呈现脉动状态,脉动的气流沿管道传输,遇到弯头、异径管、控制阀等元件后产生随时间变化的激振力,受此激振力的作用,管道结构及附件便产生一定的机械振动响应[1]


    另外一个引发管道剧烈振动的重要原因是共振,包括气柱共振与结构共振。管道系统内所容纳的气体称为气柱,气柱本身具有的振动频率称为气柱固有频率[2];由管道及其组件构成的系统具有的振动频率称为结构固有频率。当气柱固有频率处于0.8fe~1.2fe区域时(fe为机组激振频率),引发气柱共振;当结构固有频率处于0.8fe~1.2fe区域时,引发结构共振[3]。减轻往复式压缩机的管道振动可以从消减压力脉动、避免共振产生两个方面着手。


    2  压力脉动的消减


    2.1压力脉动分析实例


    一般用压力不均匀度来表征压力脉动的大小[4]。压力不均匀度越大,管道振动越剧烈。气流脉动的消减主要是对压力不均匀度进行调整[5],将其控制在规范允许的范围内。关于压力不均匀度的许用值,目前国内外比较通用的标准是美国石油学会制定的API-618。配管完成后,需将进出口管线的走向包括支架设置提交给制造厂或其他专业机构进行脉动分析,确保将压力不均匀度控制在API-618规定的许用值范围内。


    图1是某石化公司60万t/a煤焦油深加工联合装置液相加氢新氢压缩机J2D20J(4)2.4MPa正常工况运行时一级进气至一级气缸管路(A机)的气流脉动分析模型。在脉动模拟时,该管系被划分为24个单元,29个节点,各个节点位置的压力脉动幅值结果如图2所示。其中最大压力幅值为5.187%,发生在一级进气缓冲器进出口(节点2、3)。


    根据API-618,除非另有规定准则(如压缩机效率的损失),压缩机气缸法兰处未过滤的峰-峰脉动值应限制在7%或由式


    (1)计算值中较小者范围内。


    式中,Pef为在压缩机气缸法兰处最大许用的未过滤峰-峰脉动值,用平均绝对管线的压力的百分比来表示;R为该级压缩机压力比。


    对于该管路系统,压缩机气缸法兰处的脉动峰—峰值不应超过min(7%,3R%)=6.65%,结果在允许范围内。


    2.2压力脉动的消减措施


    2.2.1选取合理的气缸作用方式


    气流的脉动情况跟气缸的作用方式直接相关。要从根本上减轻进出口管道的气流脉动,首先应选取合理的气缸作用方式[6]


    2.2.2设置缓冲罐


    设置缓冲罐是制造厂采取的最行之有效的减振措施。缓冲罐容积应尽量大[7],一般应符合API-618的相关规定。缓冲罐位置尽量靠近气缸,最好与气缸法兰直接相连。


    2.2.3加大管径


    加大管径可以降低管端接收到的速度激发[2],从而降低压力不均匀度,但是管径应满足工艺条件。


    2.2.4利用孔板消振


    将适当尺寸的孔板安装于容器入口处,可以把管段内的压力脉动变成不具备反射条件的行波,同时阻止一定频率的脉动在孔板以后的管道中通行[4],从而消减气流脉动。但是使用孔板会加大压降,因此应用时应综合考虑,慎重选择。


    3  共振的控制


    3.1共振分析


    某些情况下,尽管将压力脉动控制在了允许的范围内,但是由于管系结构接近共振状态,仍会引起较大的振动。为了避免管系发生气柱共振和机械共振,必须对压缩机出入口管道进行振动分析。通过建立管网结构模型,借助应力分析软件CAESARII,进行管道应力与结构固有频率的预测,评价由热梯度、热瞬变、管道安装重量、静压力和应变受约束产生的作用力以及应力的柔性分析结果是否符合规范,结构固有频率与压缩机激振频率的分离裕度是否符合API-618的分离裕度准则,按照该准则,结构固有频率要离开激振频率至少20%的范围。通常是通过设置支架,必要时调整管道走向以得到符合规范的管道系统。


    根据脉动分析实例中液相加氢新氢压缩机J2D20J(4)管系(含支架)的动态分析结果,其最低结构固有频率为15.258Hz。J2D20J(4)压缩机额定转速为375r/min,气缸都为双作用,根据式(2)可以得出压缩机的激振频率为12.5Hz。全部管线的结构固有频率都离开系统基频20%以上,符合API-618的要求。


    式中:f为激发频率,Hz;

    N为压缩机轴转速,r/min;

    z为压缩机每转的激发次数,单作用为1,双作用为2。


    3.2共振的控制措施


    压力脉动主要由压缩机厂家控制,因此在进行压缩机管道设计时主要是避免共振的发生。压缩机的激发频率是固定的,要避免共振,只能调整管系的固有频率。


    3.2.1调整气柱固有频率


    气柱固有频率的影响因素包括气体的组成、缓冲器的尺寸和安装位置、管径、管系分支的设计、直管长度等,可以通过改变这些条件实现对气柱固有频率的调整[8]。由于有些因素受工艺条件限制不宜调整,配管时通常会通过改变管道走向对气柱固有频率进行调整。


    3.2.2调整结构固有频率


    管系刚度是结构固有频率的重要影响因素,加大管系刚度可以提高结构固有频率[9],使其远离激振频率的共振区。管系提交振动分析后,优先会通过调整支架的数量、型式来调整管系的固有频率。


    在进行在压缩机的管道设计时,注意以下几点,可以极大提高振动分析的通过率:


    ①尽量减少重要区段的弯头、三通、大小头等容易产生激振力的元件,在有激振力产生的部位以及阀门等有集中荷载的部位最好设置支架;


    ②进出口管道的支架最好生根于深埋于地下的管墩或结构立柱,尽量提高支架的刚度,且管墩、立柱应设置独立基础,避免与压缩机、厂房等的基础碰撞;


    ③支架采用防震管卡,管卡采用扁钢,管卡和管道之间填充橡胶垫或聚四氟乙烯板,满足管道的热胀补偿要求;


    ④管道支架宜采取不等间距布置,打乱共振振幅,有效避免管系共振。


    4  结束语


    往复式压缩机的工作原理决定其振动问题无法消除,但是只要明确振动产生的原因,从减轻压力脉动、避免共振的角度出发,合理地进行管道设计,便可将管道振动控制在允许的范围内。

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