鄒新健

【摘 要】某石化吸附脫硫裝置的往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)由于廠家對(duì)壓縮機(jī)管道進(jìn)行脈沖和振動(dòng)分析計(jì)算時(shí)管道施工圖還沒出，廠家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值計(jì)算，使用單位對(duì)壓縮機(jī)出口管道的振動(dòng)情況持懷疑態(tài)度，本文對(duì)該裝置的往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)進(jìn)行了核算，結(jié)果表明振動(dòng)在允許范圍內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】往復(fù)式壓縮機(jī)；管道振動(dòng)

中圖分類號(hào)： TE974 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0061-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.026

1 壓縮機(jī)情況簡介

某石化吸附脫硫裝置的往復(fù)式壓縮機(jī)有4臺(tái)，循環(huán)氫壓縮機(jī)兩臺(tái)，位號(hào)K101A/B，兩列對(duì)稱平衡型，型號(hào)為2D10-10/26.38-37型。反吹氫、補(bǔ)充氫聯(lián)合壓縮機(jī)兩臺(tái)，位號(hào)K（102+103）A/B，兩列對(duì)稱平衡型，型號(hào)為2D10-1.24/26.38-66.3—4.2/22-37.5型。由于吸附脫硫裝置項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度要求，廠家并未等設(shè)計(jì)單位出壓縮機(jī)出口管道的施工圖，廠家根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)對(duì)壓縮機(jī)出口管線進(jìn)行了脈動(dòng)和振動(dòng)分析計(jì)算。使用單位對(duì)壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)持懷疑態(tài)度，本文將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)核算壓縮機(jī)出口管道的振動(dòng)。

2 管道振動(dòng)的原因

往復(fù)式壓縮機(jī)管道在允許范圍內(nèi)存在某種程度的振動(dòng)是正?，F(xiàn)象。但應(yīng)該避免發(fā)生劇烈振動(dòng)，否則可能導(dǎo)致管道破壞，引起管道發(fā)生劇烈振動(dòng)的主要原因有兩方面：一是氣體壓力脈動(dòng)過大，導(dǎo)致激振力過大；另一個(gè)原因則是管道發(fā)生結(jié)構(gòu)共振[1]。廠家在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的時(shí)候已經(jīng)計(jì)算了管道系統(tǒng)脈震，并且已經(jīng)設(shè)置了緩沖罐，激振力已經(jīng)控制在合理范圍內(nèi)。管道發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的原因，則是管道結(jié)構(gòu)固有頻率與機(jī)器激振力頻率過于接近產(chǎn)生共振，使管道振動(dòng)急劇增大。我們要避免管道發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，所以有必要計(jì)算管道振動(dòng)。

往復(fù)式壓縮機(jī)管道系統(tǒng)的振動(dòng)包括4個(gè)方面的振動(dòng)，它們的振動(dòng)頻率分別如下：

（1）往復(fù)壓縮機(jī)管道的機(jī)械振動(dòng)基本頻率f1；

（2）管道內(nèi)脈動(dòng)氣流振動(dòng)的基本頻率f2；

（3）管道內(nèi)氣流壓力脈動(dòng)的振動(dòng)頻率f3；

（4）管道的固有振動(dòng)頻率f4；

當(dāng)上述4 個(gè)方面的振動(dòng)頻率f相互接近（0.8-1.2倍）時(shí)，管道就會(huì)產(chǎn)生共振而破壞。為了避免破壞，必須保證各振動(dòng)頻率間相差一定的安全距離。一般控制下列幾對(duì)振動(dòng)頻率f不接近，f1與f4不得接近，f2與f4不得接近，f2與f3不得接近[2]。下面以某石化吸附脫硫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)為例，來計(jì)算出口管道的振動(dòng)。

3 管道振動(dòng)的計(jì)算

3.1 往復(fù)壓縮機(jī)管道的機(jī)械振動(dòng)基本頻率f1的計(jì)算

往復(fù)壓縮機(jī)管道的機(jī)械振動(dòng)基本頻率f1的計(jì)算公式為：

f1=K1n（1）

式中：N——往復(fù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

n——往復(fù)壓縮機(jī)的曲軸數(shù)量；

K1——系數(shù)，對(duì)曲軸數(shù)n為奇數(shù)時(shí)，K1=2；n為偶數(shù)時(shí)，K1=1；

循環(huán)氫壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速為420r/min，曲軸數(shù)量為1，取K1=2，代入式（1）中計(jì)算得出：

f1=K1n=2×1×=14

3.2 管道內(nèi)脈動(dòng)氣流振動(dòng)的基本頻率f2的計(jì)算

管道內(nèi)脈動(dòng)氣流振動(dòng)的基本頻率f2的計(jì)算公式為：

f2=K2n（2）

式中：K2——系數(shù)，對(duì)于雙作用氣缸，K2=2；對(duì)于單作用氣缸，K2=1；

循環(huán)氫壓縮機(jī)氣缸為雙作用，所以取K2=2，代入式（2）中計(jì)算得出：

f2=K2n=2×1×=14

3.3 管道內(nèi)氣流壓力脈動(dòng)的振動(dòng)頻率f3的計(jì)算

管道內(nèi)氣流壓力脈動(dòng)的振動(dòng)頻率f3的計(jì)算公式為：

f3=（3）

式中：C——?dú)饬髟诠軆?nèi)的音速，m/s；C，K為氣體的絕熱壓縮指數(shù)；V為氣體比容，單位m3/kg，Pm為管道內(nèi)的氣體絕壓，單位Pa；

m——脈動(dòng)氣壓的諧振階次，m=1，2，3…，為1階、2階、3階…的諧振階次；

le——管道系統(tǒng)的當(dāng)量管長，m；

循環(huán)氫壓縮機(jī)的介質(zhì)是氫氣，出口壓力為3.7MPa（G），經(jīng)查詢得知，氫氣的絕熱壓縮指數(shù)為1.41，氫氣的比容為11.11m3/kg，計(jì)算得出：C=7715.4m/s。m取1，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)管道系統(tǒng)的當(dāng)量管長為6.63m，代入式（3）中計(jì)算得出：

f3==7715.4（2+1）/4×6.63=872.78

3.4 管道的固有振動(dòng)頻率f4的計(jì)算

管道的固有振動(dòng)頻率f4的計(jì)算公式為：

f4=×（4）

式中：λ——管道的諧振系數(shù)，管道兩端簡支的1階諧振λ1=π，2階諧振λ2=2π，管道兩端固支的λ1=4.73，λ2=7.85；

ls——管道支架間距，m；

g——重力加速度，g=9.8m/s2；

E——材料的彈性模量，kg/m2；

J——管子斷面慣性矩，m4；

R——管子外徑，m；

A——管子截面積，m2；

循環(huán)氫壓縮機(jī)管道支架是防震固定支架，λ應(yīng)取4.73，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)管道支架間距為3.6m，管子外徑為114mm，管子內(nèi)徑102mm，管子材質(zhì)為P11合金鋼，合金鋼的彈性模量查得為2.06×105MPa，換算單位后為2.1×1010kg/m2。

管子的斷面慣性矩的計(jì)算公式為：

J=

式中：D——管子外徑；

α——d/D，管道內(nèi)徑/管道外徑；

計(jì)算得出管子的斷面慣性矩J=2.976×10-6m4。

管子的截面積A=π-π=0.002m2。

把這些數(shù)值代入式（4），計(jì)算得出：

f4=14247

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，f4遠(yuǎn)大于f1和f2，f3也遠(yuǎn)大于f2，所以可以確定，循環(huán)氫壓縮機(jī)出口管道不會(huì)產(chǎn)生共振。

4 反吹氫和補(bǔ)充氫壓縮機(jī)管道振動(dòng)的核算

有了循環(huán)氫壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)計(jì)算的例子，我們也可以計(jì)算反吹氫和補(bǔ)充氫壓縮機(jī)的出口管道振動(dòng)，雖然反吹氫和補(bǔ)充氫壓縮機(jī)是聯(lián)合壓縮機(jī)共用一臺(tái)電機(jī)，但是出口管道并不一樣，所以計(jì)算出口管道振動(dòng)需要分別計(jì)算。

反吹氫壓縮機(jī)的參數(shù)為：轉(zhuǎn)速420r/min，1個(gè)曲軸，雙作用，出口壓力6.63MPa（G），le=4.45m，ls=1.46m，管子外徑89mm，管子內(nèi)徑78mm。補(bǔ)充氫壓縮機(jī)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速420r/min，1個(gè)曲軸，雙作用，出口壓力3.75MPa（G），le=4.8m，ls=2.6m，管子外徑60mm，管子內(nèi)徑52mm。把數(shù)據(jù)代入上述4個(gè)公式中，求得管道振動(dòng)頻率列在表1中：

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，反吹氫壓縮機(jī)和補(bǔ)充氫壓縮機(jī)的f4遠(yuǎn)大于f1和f2，f3也遠(yuǎn)大于f2，所以反吹氫壓縮機(jī)和補(bǔ)充氫壓縮機(jī)出口管道不會(huì)產(chǎn)生共振。

5 實(shí)際出口管道振動(dòng)

某石化吸附脫硫裝置的往復(fù)式壓縮機(jī)在氮?dú)庳?fù)荷試車時(shí)，我們收集了幾組振動(dòng)數(shù)據(jù)，列在表2中：

按GB/T7777-2003《容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)》[3]中規(guī)定，振動(dòng)速度>1.8，≤2.8mm/s的振動(dòng)烈度為2.8mm/s，對(duì)稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)烈度應(yīng)不大于18mm/s，吸附脫硫裝置的4臺(tái)壓縮機(jī)的氣缸振動(dòng)烈度為2.8mm/s，在允許范圍內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)出口管道振動(dòng)進(jìn)行說明，我們參照壓縮機(jī)振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，震度速度>0.71，≤1.12mm/s 的振動(dòng)烈度為1.12mm/s，那么4臺(tái)壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)烈度為1.12mm/s，在允許范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

通過計(jì)算吸附脫硫裝置循環(huán)氫，反吹氫，補(bǔ)充氫壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)頻率，我們確認(rèn)管道不會(huì)發(fā)生共振，出口管道振動(dòng)在允許范圍內(nèi)。氮?dú)庳?fù)荷試車時(shí)測(cè)得的實(shí)際出口管道振動(dòng)速度在1mm/s左右，也證明了出口管道的振動(dòng)在允許范圍內(nèi)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]往復(fù)式壓縮機(jī)脈沖的影響及緩解措施，《湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》第17卷第1期，2004.03.

[2]往復(fù)式壓縮機(jī)或泵裝置管道的振動(dòng)計(jì)算，《化工設(shè)備與防腐蝕》，2004.04.

[3]GB/T7777-2003《容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)》.