楊秀峰，何立東，呂　江，王晨陽(yáng)

（北京化工大學(xué) 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)測(cè)與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

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往復(fù)壓縮機(jī)管線的阻尼減振應(yīng)用

楊秀峰，何立東，呂江，王晨陽(yáng)

（北京化工大學(xué) 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)測(cè)與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

摘要：針對(duì)石家莊某煉化企業(yè)往復(fù)氫氣壓縮機(jī)管線振動(dòng)問(wèn)題，研究管道系統(tǒng)的阻尼減振技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量管線的振動(dòng)與空間布置參數(shù)，運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行模態(tài)計(jì)算與阻尼減振模擬仿真，并結(jié)合管道系統(tǒng)的實(shí)際振動(dòng)情況，分析出管線振動(dòng)的原因。根據(jù)振動(dòng)成因分析及模擬仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)出合理的阻尼減振方案。在不改變?cè)泄芫€結(jié)構(gòu)、壓縮機(jī)不停機(jī)的情況下，安裝阻尼器于管線的指定位置，有效地減小振動(dòng)管線各處的振幅至安全范圍內(nèi)，消除了管線振動(dòng)產(chǎn)生的安全隱患，保障生產(chǎn)長(zhǎng)周期安全進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波；往復(fù)壓縮機(jī)；管道振動(dòng)；仿真分析；阻尼器；振動(dòng)控制

往復(fù)式壓縮機(jī)具有壓力范圍廣、熱效率高、比功率低等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛地應(yīng)用在石油化工行業(yè)，可謂是石化企業(yè)的心臟。然而壓縮機(jī)氣缸間歇性吸氣或排氣，形成氣流脈動(dòng)，當(dāng)脈動(dòng)氣流遇到彎頭、變徑管、閥門時(shí)就會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生沖擊，引起管道振動(dòng)。強(qiáng)烈的管道振動(dòng)可能會(huì)造成焊縫的開(kāi)裂、儀表的損壞、螺栓的松動(dòng)等后果，此外持續(xù)的管道振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)管道系統(tǒng)疲勞失效[1，2]。對(duì)于氫氣壓縮機(jī)，一旦出現(xiàn)上述情況，就會(huì)造成氫氣的泄漏，引起爆炸，造成后果不可估量。所以對(duì)管道振動(dòng)的控制一直是設(shè)備工程師們研究的熱點(diǎn)。管道振動(dòng)的控制，目前分為理論研究及應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)方面。理論研究主要著重于管道振動(dòng)形成的機(jī)理，如非線性流固耦合等[3]。應(yīng)用研究主要從管道振動(dòng)出發(fā)，采用隔振、阻振、吸振、加裝支撐等方法進(jìn)行減振[4]。

阻尼減振是利用阻尼器腔內(nèi)的黏滯性高分子液體作為介質(zhì)，通過(guò)導(dǎo)向桿與管道連接，將管道振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能迅速傳遞至高黏性液體，并轉(zhuǎn)化為熱能釋放，同時(shí)保證能量不會(huì)傳到往復(fù)壓縮機(jī)或者其他管道上，實(shí)現(xiàn)降低振動(dòng)的目的[5]。阻尼器對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)沒(méi)有任何副作用，可降低各個(gè)方向的振動(dòng)，對(duì)運(yùn)行振動(dòng)與沖擊荷載一樣有效。能夠在不停機(jī)的情況下安裝，不用維修，壽命長(zhǎng)，因此與其它減振方法相比，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[6–8]。

本文通過(guò)測(cè)量石家莊某煉化公司260萬(wàn)噸柴油加氫裝置新氫壓縮機(jī)組K101二級(jí)出口管道振動(dòng)頻率與位移，運(yùn)用Ansys對(duì)管系進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)結(jié)果得出振動(dòng)的原因，并采取了管道阻尼減振技術(shù)，有效地降低了管線的振動(dòng)，保證了設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1　壓縮機(jī)管道振動(dòng)情況

此次改造管線為壓縮機(jī)組K101二級(jí)出口管線，其中壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速300 r/min、輸出功率3 094 kW、介質(zhì)為氫氣、管道公稱直徑為DN 150，介質(zhì)溫度和壓力分別為129℃和10.8 MPa。管道現(xiàn)場(chǎng)走向見(jiàn)圖1，圖中自出口彎頭1到出口彎頭3的總長(zhǎng)度約為16.5 m，中間有四個(gè)支架。機(jī)組工作時(shí)，管道振動(dòng)值在出口彎頭2處為最大，肉眼可觀測(cè)到管道大幅度晃動(dòng)。而距離出口彎頭2距離越遠(yuǎn)的管道，振動(dòng)值越小，加裝支撐處的振動(dòng)值也較小。強(qiáng)烈的振動(dòng)造成靠近出口彎頭2處的支架多次開(kāi)裂，廠方多次更換。雖然彎頭1處的振動(dòng)較彎頭3較小，但也達(dá)到879 μm，造成其與出口緩沖罐連接處出現(xiàn)細(xì)小裂紋。

圖1　出口管線走向圖

2　壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)原因分析

2.1出口管線振動(dòng)原因

化工管道振動(dòng)一般是由流體的激振力引起，較大的激振力造成管道的強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)激振力頻率和管道系統(tǒng)的固有頻率相近時(shí)還會(huì)造成強(qiáng)烈的共振，對(duì)設(shè)備造成極大的損傷。

(1)往復(fù)氫氣壓縮機(jī)一個(gè)不可避免的缺點(diǎn)就是在運(yùn)行時(shí)會(huì)間歇性吸、排氣產(chǎn)生氣柱，此氣柱是脈動(dòng)的，產(chǎn)生脈動(dòng)壓力，當(dāng)交替變化的激振力作用于管道時(shí)必將引起其振動(dòng)，而管道的振動(dòng)又反作用于脈動(dòng)流體，造成更為復(fù)雜的流體流動(dòng)情況，產(chǎn)生耦合振動(dòng)。而該壓縮機(jī)二級(jí)出口管道內(nèi)介質(zhì)壓力非常高，達(dá)到10.8 MPa，當(dāng)高壓流體流經(jīng)管道的彎頭、閥門等設(shè)備時(shí)必將激勵(lì)管道振動(dòng)。目前針對(duì)此問(wèn)題的解決方法是安裝出口緩沖罐、孔板等緩解流體的壓力脈動(dòng)，但有時(shí)也不能把振動(dòng)控制在安全范圍之內(nèi)；

(2)此管線段共有3個(gè)彎頭，一個(gè)管法蘭，一個(gè)閥門。當(dāng)脈動(dòng)流體流過(guò)此類設(shè)備時(shí)將會(huì)造成流體流速和方向的改變，產(chǎn)生漩渦等惡劣流況，加劇流體的脈動(dòng)，從而產(chǎn)生更為嚴(yán)重的振動(dòng)。而且，管線上的彎頭半徑均較小，所以流體激振情況更為嚴(yán)重。工程上一般改用較大半徑的彎頭或者在彎頭處加裝導(dǎo)流板改善流況；

(3)該振動(dòng)管線總長(zhǎng)度約為16.5 m，而僅有四個(gè)吊架，且支撐約束較薄弱，不能對(duì)管道起到很好的約束作用，整個(gè)管系剛度較小，加之管內(nèi)流體壓力高，必將引起管道的激烈振動(dòng)。管道也不允許隨便加裝剛性支撐，這不僅不會(huì)耗散掉振動(dòng)能量，反而還會(huì)使振動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移，如果振動(dòng)能量轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，會(huì)更容易發(fā)生事故。

2.2出口管線有限元分析

當(dāng)流體的激振頻率和管系的某1階固有頻率相近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，激發(fā)出此階模態(tài)下的振型。共振是結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的振動(dòng)情況，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)避免。應(yīng)用有限元軟件Ansys對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，得到了各階頻率振型，并與現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行比較分析[9]。

(1)根據(jù)壓縮機(jī)出口管線的走向、支撐情況以及管道參數(shù)等用Ansys建立有限元模型如圖2所示。按照實(shí)際情況對(duì)模型劃分網(wǎng)格和施加邊界條件，進(jìn)行模態(tài)分析。

圖2　管線有限元模型

(2)Ansys模態(tài)分析的結(jié)果見(jiàn)表1，從表1可知管道的第1階固有頻率為9.037 Hz，相對(duì)較低，在較大激振力作用下容易產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

表1　管道系統(tǒng)前5階固有頻率

3）往復(fù)壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)的頻率跟壓縮機(jī)氣缸數(shù)以及轉(zhuǎn)速相關(guān)，激發(fā)頻率的計(jì)算公式為

其中m為壓縮機(jī)氣缸個(gè)數(shù)，n壓縮機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min。K 101壓縮機(jī)為雙作用式，m=2，主軸轉(zhuǎn)速為300 r/min，根據(jù)式（1）可知?dú)饬髅}動(dòng)頻率為10 Hz。在工程上常把0.8 f～1.2 f的頻率范圍作為激發(fā)頻率共振區(qū)，當(dāng)管系機(jī)械固有頻率落在激發(fā)頻率共振區(qū)范圍時(shí)，發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。此管道共振區(qū)頻率應(yīng)該為8.00 Hz～12.00 Hz，而由Ansys模態(tài)計(jì)算可知管道系統(tǒng)的第1階固有頻率為9.037 Hz，落入共振區(qū)，由此可知，造成管道振動(dòng)的主要原因?yàn)楣舱?。管道的?階模態(tài)振型如圖3所示，圖4是共振時(shí)的位移云圖。由圖可知，在管道振動(dòng)方向主要為橫向擺動(dòng)，振動(dòng)位移在第二個(gè)彎頭處達(dá)到最大。距離第二個(gè)彎頭越遠(yuǎn)的地方振動(dòng)越小，這和現(xiàn)場(chǎng)管道的振動(dòng)情況相吻合。

圖3　管道1階模態(tài)振型

圖4　管道1階共振位移云圖

3　減振方案的模擬仿真及實(shí)施效果

3.1阻尼減振模擬仿真

依據(jù)管道的具體參數(shù)及約束，運(yùn)用有限元軟件SAP 2000進(jìn)行建模及劃分網(wǎng)格，在模型中施加簡(jiǎn)諧激振力，進(jìn)行阻尼減振計(jì)算[10]。對(duì)比模型中未設(shè)置阻尼器及設(shè)置阻尼器的計(jì)算結(jié)果，可得出良好抑振效果時(shí)對(duì)應(yīng)阻尼器數(shù)量及分布情況。其中，計(jì)算時(shí)使用的阻尼項(xiàng)為該項(xiàng)目中使用黏滯阻尼器（非線性阻尼器）的參數(shù)，其阻尼指數(shù)為0.3，各向最大位移量為±20 mm，阻尼系數(shù)為137 kN·s/m。未設(shè)置阻尼器模型如圖5所示，在管內(nèi)流體沖擊和共振耦合作用下，管道A、B、C處振動(dòng)劇烈，主要為橫向擺動(dòng)，其余方向幅值較小可忽略不計(jì)，其中A處相對(duì)較小，B處較大，C處最大，與實(shí)際工況相符；計(jì)算時(shí)分別在A、B、C處設(shè)置1、2、3個(gè)阻尼器，得到如圖6所示的設(shè)置阻尼器模型，對(duì)比圖5、6中7個(gè)測(cè)點(diǎn)處設(shè)置阻尼器前后的振動(dòng)位移峰峰值，見(jiàn)圖7。

圖5　管道系統(tǒng)無(wú)阻尼模型

圖6　管道系統(tǒng)有阻尼模型

圖7　管道模型設(shè)置阻尼器前后各測(cè)點(diǎn)振幅對(duì)比圖

由圖7可知，設(shè)置阻尼器后管道的各處振動(dòng)均得到有效控制，其中，未設(shè)置阻尼器時(shí)管道最大振動(dòng)峰峰值為3 496 μm，設(shè)置阻尼器后降為385 μm，降幅達(dá)到88.99%，表明按此方案布置阻尼器對(duì)管道振動(dòng)系統(tǒng)的減振效果十分顯著。

3.2阻尼減振方案

結(jié)合阻尼減振模擬仿真，在整個(gè)管系的六個(gè)位置安裝6個(gè)黏粘滯性阻尼器以降低管道的振動(dòng)，使管道設(shè)備在安全允許范圍內(nèi)運(yùn)行，阻尼器安裝示意圖如圖8所示，圖9為現(xiàn)場(chǎng)阻尼器安裝圖。

圖8　阻尼器安裝示意圖

圖9　阻尼器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

3.3阻尼減振效果

安裝阻尼器后，用便攜式振動(dòng)測(cè)量?jī)x對(duì)如圖10所示的管道7個(gè)位置的z方向振動(dòng)位移峰峰值進(jìn)行了測(cè)量，并與安裝阻尼器前的振動(dòng)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

圖10　測(cè)點(diǎn)分布圖

表2　管線減振前后位移幅值

通過(guò)安裝阻尼器，測(cè)點(diǎn)5處管道的最大振幅降為357 μm，降幅達(dá)89.2%；測(cè)點(diǎn)1處的降幅為68%，振幅降為281 μm。其它位置處的位移也都有很大程度的減小，減振百分比介于測(cè)點(diǎn)1和5之間。管道所有位置處的振幅處于安全范圍內(nèi)，減振改造效果顯著。

4結(jié)　語(yǔ)

(1)往復(fù)壓縮機(jī)由于流體脈動(dòng)的不可消除性，其管線振動(dòng)是一個(gè)普遍的現(xiàn)象。尤其對(duì)高壓力的氫氣壓縮機(jī)，劇烈的振動(dòng)會(huì)給企業(yè)的生產(chǎn)帶來(lái)極大的安全隱患；

(2)應(yīng)用有限元分析軟件Ansys對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到管系的固有頻率和其所對(duì)應(yīng)的振型，有利于分析管道振動(dòng)成因；運(yùn)用有限元軟件SAP 2000進(jìn)行阻尼減振仿真計(jì)算，依據(jù)仿真結(jié)果制定合理的減振方案；

(3)黏滯性阻尼器能夠在不改變管系原有結(jié)構(gòu)、不停車的情況下進(jìn)行安裝，消耗振動(dòng)能量，不造成能量的轉(zhuǎn)移。實(shí)踐證明其能有效地降低氫氣壓縮機(jī)管線的振動(dòng)，保障設(shè)備的安全運(yùn)行，提高管道的壽命，為石化企業(yè)的安全生產(chǎn)以及節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

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中圖分類號(hào)：TH457

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.039

文章編號(hào)：1006-1355(2016)01-0183-04

收稿日期：2015-07-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）(2012CB026000)；北京市教育委員會(huì)共建項(xiàng)目專項(xiàng)資助與博士點(diǎn)基金（20110010110009）

作者簡(jiǎn)介：楊秀峰（1991-），男，江西省上饒市人，碩士生，主要研究方向?yàn)楣艿兰靶D(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)控制研究。E-mail:yxiufeng08@163.com

通訊作者：何立東，男，博士生導(dǎo)師。E-mail:he63@263.net

Application of Damping Technology to the Vibration Control of a Reciprocating Compressor’s Pipeline

YANG Xiu-feng,HE Li-dong,LVJiang,WANG Chen-yang

(Beijing Key Laboratory of Health Monitoring and Self-Recovery for High End Mechanical Equipment, Beijing 100029,China)

Abstract:In order to reduce the vibration in a reciprocating compressor’s pipeline system in a petrochemical factory in Shijiazhuang,the vibration damping technique for the pipeline system was studied.The vibration and the layout parameters of the pipeline system were measured.The vibration causes were found by analyzing the vibration data of the pipeline system and calculating its modals by means of the finite element software.Damping vibration of the pipeline was simulated by applying SAP 2000 software.According to the vibration causes and the result of the damping simulation,a reasonable vibration damping scheme was designed.The result shows that installing dampers in the appropriate place can effectively reduce the vibration amplitude and eliminate the security risks of the pressure pipeline,and ensure the safety of production without shutting down the machine unit or changing the original structure of the pipeline.

Key words:vibration and wave;reciprocating compressors;pipeline vibration;simulation analysis;vibration damper; vibration control