徐 賽，楊力蘇，呂 雪，王梓鑒，喻迪垚，孫 斌

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧遼陽 111003）

0 引言

往復壓縮機是一類重要的過程流體機械，隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，在煉化企業(yè)應用十分廣泛。往復壓縮機的管道振動是化工裝置的一種常見問題，受到越來越廣泛的重視。嚴重的管道振動與其造成的后果，威脅著裝置的安全生產。管道振動時所產生的交變應力，會引發(fā)管線的疲勞損傷，振動所產生的位移會導致連接件的松動和磨損，引發(fā)管線的松脫、掉架，嚴重時甚至會發(fā)生管線撕裂，造成泄漏、燃燒及爆炸等嚴重的次生災害。因此，研究往復壓縮機管道振動的狀況及原因，并進行有效的消減，對安全生產有著極為重要的意義。

1 問題的提出與分析

遼陽石化公司油化運行部PSA 裝置設膜分離工段和PSA工段，其膜分離工段采用大連理工大學開發(fā)的高壓膜分離氫氣技術。以煉油運行部混合干氣、芳烴運行部PSA 解吸氣以及本裝置PSA 解吸氣、汽油加氫裝置分餾塔頂氣、渣油加氫裝置汽提塔頂氣為原料，經(jīng)過混合解吸氣壓縮機壓縮、氫氣膜分離、滲透氣壓縮后生產滲透氣送往PSA 工段提純，滲余氣送入公司燃料氣管網(wǎng)。

混合解吸氣壓縮機由沈陽遠大壓縮機股份有限公司制造，2018 年7 月份投產。機組采用對稱平衡型往復式，四列二級壓縮，氣缸為臥式雙作用，氣缸進、排氣口均按上進、下出布置。壓縮機由電機驅動，曲軸轉數(shù)為300 r/min，活塞的平均速度為3.5 m/s。氣缸、活塞和填料函按無油潤滑結構設計，氣缸采用除鹽水強制冷卻。A 機采用HydroCOM 無級氣量調節(jié)，B 機氣量調節(jié)采用頂開吸氣閥卸荷器作氣量調節(jié)（圖1）。

圖1 機組概貌

壓縮機運行期間，機組曲軸箱、各氣閥振動合格，最高振值6.4 mm/s，符合標準要求。但系統(tǒng)管系振動嚴重，采用VM63 手持式測振儀現(xiàn)場測試，一級出口總管、二級進出口管道振值較高，二級進出口管線振動尤為劇烈。壓縮機一級入口管線為DN600，該條管道振動良好，振動速度約2.3 mm/s；經(jīng)壓縮機壓縮后一級出口管線為DN400，管道振動速度增大5～7 mm/s；壓縮機二級入口管線為DN300，振動速度為7～8 mm/s；壓縮機二級出口管線為DN150，其振動速度為14～16 mm/s，各測點振值見表1。

表1 機組各測點振動值 mm/s

對出入口管道進行勘查，分析現(xiàn)場管線的排布及振動情況。根據(jù)現(xiàn)場管線的排布，以及在使用過程中結合混合解吸氣壓縮機的運行工況分析，該混合解吸氣壓縮機管路振動主要由氣流脈動引起。由于其自身的結構形式，往復壓縮機的吸排氣流有著周期性和間歇性變化的特點，這不可避免地會使系統(tǒng)管路內的氣體產生脈動。脈動的氣流沿管道輸送時，會產生變化的激振力，受到該激振力的影響，管道產生機械響應，壓力脈動越大、管道的振動響應越大。管道上產生的應力與振幅直接相關，過大的振動會使得管道和接管的焊口、接管座、疏水管道、連接線、信號線、溫度和壓力測點等連接部位疲勞開裂導致泄漏，如長期不安全運行會對管道和相關設備造成威脅，該機組曾發(fā)生過因管系振動過高小接管斷裂的事件。

2 管道減振措施

當管道存在明顯的振動現(xiàn)象時，應及時對管道進行目測檢查，記錄發(fā)生振動的時間、頻率、振值、支吊架和管道附件是否損壞失效、管道是否變形等。分析振動原因并采取相應的措施，應注意的是，盡量避免使用剛性約束固定管道，以免使振動轉移到內部造成損傷。常用的管道減振方式主要有以下4 種：

2.1 在特定位置設置孔板

孔板是一種阻力原件，氣流在經(jīng)過孔板時會發(fā)生能量損失，從而使氣流的脈動下降，不同尺寸的孔板對應著不同的局部損失系數(shù)。對于設備管系來說，一般將孔板設置在脈動較大的位置。在選用孔板時，孔板的厚度、孔徑、材料應作為重要因素來考慮，避免安裝后造成氣體截流、孔板損壞、或腐蝕等附加問題的發(fā)生。

2.2 優(yōu)化管道的布置形式或尺寸

壓縮機在設計時，應充分考慮到在不同工況下的的氣流脈動情況，特別是在無級氣量調節(jié)系統(tǒng)廣泛應用的今天，更應核算不同氣量對機組及管系振動的影響。核算管系振動模態(tài)，應盡量避免氣柱頻率落在其固有頻率范圍內。此外，由于標準管件本身強度較高，壓縮機的主要工藝管道應盡量采用標準管件，對于儀表接管、三通等不能使用標準管件的位置，應采取適當?shù)难a強措施。

2.3 合理設置管道支撐

常用的管道支撐按照用途分為滑動支架、固定支架、導向支架等。其設計、施工應符合GB/T 17116—2018《管道支吊架 第1部分：技術規(guī)范》的要求。管道支撐件應盡量采用獨立基礎，避免設置在框架、廠房的結構梁上，以防發(fā)生共振。另外管道支架需要不等間距布置，其差值一般取100～200 mm，2 個支架的間距一般不大于3 m，支架上應設置防振管卡。此外，嚴禁用剛性約束的方式加固管線，以避免應力集中，造成局部撕裂。

2.4 采用阻尼減振器

阻尼減振器，是通過將管道振動的動能轉化為阻尼液的熱能來進行減振，是一種有效的柔性減振裝置。它的特點是，在管道的所有自由度上都能產生阻尼和減振的效果；對沖擊性載荷產生較大的阻尼，對微小振動也會產生阻尼效果；阻尼響應迅速，無時間延遲；阻尼液性能穩(wěn)定、壽命長，全周期免維護。

阻尼器隔振原理為：上連接板通過管夾附件跟管道連接在一起，下連接板固定在鋼梁或基礎上，阻尼液吸附在柱塞的外表面和外殼體的內壁上，管道振動時帶動上連接板和柱塞同步振動，柱塞對阻尼液產生擠壓和拉伸，受擠壓和拉伸的阻尼液會將產生熱量，將管道振動的動能轉化為熱能（圖2）。

圖2 阻尼減振器示意

在設計上，管道系統(tǒng)應同時滿足剛度和強度兩方面要求。剛度決定了管道系統(tǒng)的固有頻率，剛度越大，固有頻率越高。對于管道系統(tǒng)，其走向、彎頭及三通數(shù)量、管徑、壁厚及支撐狀況都會影響到系統(tǒng)的剛度。通常情況下，管徑、壁厚條件不易改變，改變系統(tǒng)剛度主要通過調整管道走向及管道支撐來實現(xiàn)。而在這兩者中，通過增減管道支撐以調整管道的固有頻率，以避開激振力中的低頻成分，從而降低管道的振動，是應用較為廣泛，且經(jīng)濟性較好的調整方法。

通常解決管系振動的方法是增設限位來阻止管系振動，但這樣會大幅度增加管系的振動頻率，而且使管系的振動位置發(fā)生轉移。采用阻尼器可以很好地解決管系振動問題，因為阻尼器主要是依靠活塞在阻尼液中的剪切和擠壓作用產生阻尼力，阻尼力大小與振動的速度基本成正比，而且屬于柔性阻尼，不會引起管系振動位置發(fā)生位移。

該混合解吸氣壓縮機管道振動的解決思路為，不改變管道系統(tǒng)的走向、外徑、壁厚及原有原支吊架的位置，在合適的位置增加阻尼減振器，在不改變系統(tǒng)剛度的情況下增大阻尼，減小管道對低階激振力的響應，以減小管道的振動和晃動。經(jīng)計算，擬在機組4 個位置安裝阻尼減振器：

（1）隔振點1：利用現(xiàn)有兩側立柱，將兩立柱通過型材連接在一起，增加鋼架的強度。

（2）隔振點2：彎頭處介質流速變化快，對管道產生激振力相對更明顯。

（3）隔振點3：壓縮機安裝在高位時，相關管道與支撐鋼梁之間形成共振，需要改變管道的固有頻率，從而避免共振的發(fā)生。

（4）隔振點4：管道在匯集位置處流動會發(fā)生急劇變化，豎直管段流出的介質會沖擊水平管段的介質，這樣在匯集位置會產生流動混亂的紊流，從而產生激振力，在靠近三通位置加裝阻尼器（圖3）。

圖3 現(xiàn)場安裝效果

安裝阻尼減振器后，機組投用至正常負荷，采用VM 63 A手持式測振儀現(xiàn)場測試，管線振幅大幅下降，系統(tǒng)最大振幅8.9 mm/s，符合ISO 20816 標準中A 區(qū)振幅的要求。壓縮機投入生產并校核運行6 個月，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各工況下振值均滿足生產要求。各測點的振動值對比見表2。

表2 安裝阻尼器前后管線振動值對比 mm/s

3 結束語

由往復壓縮機的工作特點可知，管道振動是不可避免的，管道的振動嚴禁采取強制剛性約束等“簡單粗暴”的法進行隔振和消振。在本案例中，氣流脈動是管道振動的內因，管道的結構是引起振動的條件，通過測試、分析和計算，采用適當?shù)姆绞竭M行減振，使壓縮機達到理想工況，對于壓縮機組和管道系統(tǒng)的安全運行有著重要意義。