于鐵楠

（中國(guó)石油大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)是石油石化行業(yè)不可或缺的設(shè)備，其管線振動(dòng)會(huì)使管線焊縫產(chǎn)生疲勞裂紋，輕則影響機(jī)組運(yùn)行，重則釀成安全事故。某煉油工廠制氫裝置有兩臺(tái)往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)，用于給氫氣增壓使用，其中一臺(tái)壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)大，已經(jīng)無(wú)法滿足裝置長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)的要求。

該氫氣壓縮機(jī)型號(hào)為2D40-66/4.9-32-BX，由沈陽(yáng)氣體壓縮機(jī)股份有限公司生產(chǎn)制造，其主要工作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)主要工作參數(shù)

1 對(duì)管線進(jìn)行ANSYS 分析

通過(guò)ANSYS 分析軟件，根據(jù)實(shí)際管線的工程結(jié)構(gòu)圖尺寸建立模型，采用Block Lanczos 方法，管道需要選用PIPE16 單元，而彎頭和法蘭需要采用加質(zhì)量塊的方法進(jìn)行處理，質(zhì)量單元采用MASS21 單元，以毫米“mm”為基本長(zhǎng)度單位。為便于振型說(shuō)明，將管線分為4 部分：A 段為管線靠近出口水平管段，B段為垂直管段，C 段為水平直管段，D 段為靠近進(jìn)口垂直管段（圖1）。模態(tài)分析前15 階固有頻率統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

表2 模態(tài)分析前15 階固有頻率統(tǒng)計(jì)

圖1 管線分段

通過(guò)ANSYS 軟件分析計(jì)算與振動(dòng)振型分析結(jié)果可知：

（1）管線D 段的振動(dòng)主要是15階的振型，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為102.8 Hz。由于高階能量較小，振動(dòng)不明顯。分析認(rèn)為，該管段雖然物料流速較快，但是因?yàn)橛泄潭ㄖё鸬捷^好的減振作用，振動(dòng)不明顯?，F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況也說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。

（2）管線A 段的振動(dòng)主要是14階的振型，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為95.69 Hz。由于該段物料對(duì)管線沖擊較小、振動(dòng)不明顯，這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況一致。

（3）管線直管段B，主要振型為6 階、9 階、11 階，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為36.37 Hz、64.32 Hz、73.46 Hz。

（4）管線振動(dòng)最明顯的地方為C 段水平管和D 段垂直管，主要是2 階、4 階、5 階、10 階和12 階的振型，對(duì)應(yīng)的頻率為11.21 Hz、17.07 Hz、25.35 Hz、71.98 Hz 和89.96 Hz。

（5）從管線結(jié)構(gòu)來(lái)看，B、C、D 管段之間有兩個(gè)彎頭，由于彎頭改變流體流動(dòng)方向，因此對(duì)管線沖擊強(qiáng)烈。

2 管線振動(dòng)原因分析

現(xiàn)場(chǎng)使用速度傳感器來(lái)收集氫氣壓縮機(jī)出口管線的振動(dòng)數(shù)據(jù)，主要收集壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)管線的振動(dòng)情況。壓縮機(jī)管線振動(dòng)是一個(gè)受到多個(gè)因素影響的復(fù)雜問(wèn)題，主要影響因素有4 個(gè)。

（1）管道內(nèi)輸送介質(zhì)的脈沖運(yùn)動(dòng)，由于壓縮機(jī)工作部件是作間歇性運(yùn)動(dòng)，因而使其內(nèi)部介質(zhì)的壓力與速度發(fā)生間歇性變化，產(chǎn)生脈沖力氣流。脈沖力氣流，沿管線輸送遇到彎頭、變徑、閥門、孔板等元件時(shí)，流動(dòng)速度與方向?qū)l(fā)生變化，將產(chǎn)生隨著時(shí)間變化而變化的激振力，受到此激振力的作用，壓縮機(jī)出口管線系統(tǒng)便產(chǎn)生一定量的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)，壓力脈沖越強(qiáng)，管線振動(dòng)的位移峰值和應(yīng)力就越大。

（2）管線系統(tǒng)發(fā)生了結(jié)構(gòu)性共振，管線與其內(nèi)部介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)具有一系列固有的振動(dòng)頻率，當(dāng)往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)激發(fā)的頻率與某階固有頻率的0.8 倍至1.2 倍頻率區(qū)間相重合時(shí)，該系統(tǒng)振動(dòng)疊加，產(chǎn)生此階頻率的共振，使管線產(chǎn)生比較大的位移與應(yīng)力，管線內(nèi)介質(zhì)的脈沖也達(dá)到了極大值。

（3）由壓縮機(jī)本身的振動(dòng)引起。往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)本身由于各運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)平衡性能較差、安裝不對(duì)中、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?，均可能引起壓縮機(jī)的振動(dòng)，從而使與之相連接的管線發(fā)生振動(dòng)。

（4）管線布局設(shè)計(jì)不當(dāng)，彎頭、閥門較多也會(huì)導(dǎo)致管線振動(dòng)。如果管線系統(tǒng)彎頭、閥門較多且分布密集，會(huì)造成管道內(nèi)介質(zhì)流向與速度發(fā)生急劇變化，導(dǎo)致管線振動(dòng)。由氫氣壓縮機(jī)自身的測(cè)振數(shù)據(jù)與各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)平衡測(cè)試結(jié)果可知，并未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，均在手冊(cè)要求的正常值范圍內(nèi)，系統(tǒng)管線彎頭、閥門較少且分布不密集，那么壓縮機(jī)的出口管線振動(dòng)的主要原因就是前兩種。

3 管線減振措施

根據(jù)對(duì)管線的振動(dòng)分析，降低振動(dòng)幅值的措施主要有兩個(gè)：一是減小脈沖力，即降低管線內(nèi)介質(zhì)的壓力（由于該管線的操作工藝是確定的，因此該方式在工藝上不可行）；二是增加管線的約束支撐，有效吸收振動(dòng)產(chǎn)生的能量。氫氣壓縮機(jī)出口管線的前幾階固有頻率對(duì)管線振動(dòng)的影響較大，特別是第一階與第二階頻率。當(dāng)振動(dòng)脈沖頻率與管線的固有頻率的0.8 倍至1.2 倍頻率區(qū)間相重合時(shí)，就會(huì)造成管線的共振，使管線振動(dòng)的幅值增大，振動(dòng)能量隨之增強(qiáng)，產(chǎn)生的破壞力也隨之增大。為避免共振對(duì)管線造成的破壞，外界的擾動(dòng)頻率須要避開(kāi)管線的固有頻率。

為達(dá)到安全、平穩(wěn)生產(chǎn)的目的，對(duì)管線的支撐進(jìn)行改造。管線支撐加在振動(dòng)幅值最大的部位，就可以有效吸收振動(dòng)產(chǎn)生的能量，來(lái)達(dá)到減小管線振動(dòng)的目的。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，主要采取的減振措施有兩個(gè)。

（1）在出口管線地面部分水平處增加能夠支撐和約束管線各方向位移并且具有調(diào)節(jié)功能的支撐，確保出口管線與壓縮機(jī)本體之間剛度一致。

（2）將原有管線支架改為彈性阻尼膠墩，來(lái)約束管線的振動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)管道劇烈振動(dòng)的危害很大，可以降低壓縮機(jī)的容積效率、減少排氣量，損耗機(jī)組功率、氣閥及控制儀表等，更為嚴(yán)重的是管道與其附件連接部位很容易發(fā)生松動(dòng)與破裂，對(duì)裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，尤其是氫氣是易燃易爆介質(zhì)，極易發(fā)生氫氣泄漏著火或爆炸事故。通過(guò)ANSYS 有限元分析軟件以及速度傳感器，對(duì)某煉油廠制氫裝置氫氣壓縮機(jī)出口管線進(jìn)行分析、測(cè)量，得到了1～15 階固有頻率與主振型，為氫氣壓縮機(jī)出口管線的減振改造提供了科學(xué)依據(jù)。根據(jù)有限元分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，對(duì)氫氣壓縮機(jī)出口管線實(shí)施了減振改造，在低階頻率振幅比較大的部位增加了支撐約束，大大降低了振動(dòng)的破壞強(qiáng)度，自改造至今使用效果良好，滿足了裝置平穩(wěn)生產(chǎn)的要求。