1 往復式壓縮機振動的危害

  往復壓縮機氣流化動的產生關鍵在于活塞往復運動，氣缸的吸氣和排氣存在間歇性，從而導致氣流的壓力和速率變化曲線不斷改變。往復式壓縮機在輸送流體時，不可避免的會遭遇許多阻力元件，這些會導致激振力的產生，因此必然會引發相當程度的振動。在壓縮機運行的過程中管道存在一定量的振動是正常情況，需要注意的是振動不能超過安全運行的允許值。超過允許值會導致管道被破壞，管內輸送的介質會發生泄漏， 對于危險的介質會引起生產事故，重大情況會發生爆炸、中毒等不可挽回的事故。

  根據不完全統計，壓縮機管道系統破壞產生的事故占全部設備事故的三分之一，每年因為該原因世界上工業最發達的美國基本上至少會損失幾百億，而且在一百起毀損報告中，由壓縮機管道振動而引起的事件占據在第二的位置。我國國內由縮機管道破壞而引發的事故中四分之三與管道振動相關。

  2 往復式壓縮機管道振動的原因

  往復式壓縮機管道振動的影響因素較多,由往復式壓縮機的工作原理可知，其管線的振動形式是受迫振動。根據激振力的不同情況，其主要原因通常有四種：

  （1）壓縮機本身

  壓縮機本身運動部件的動平衡性能差,安裝不對中、基礎設計不當等均能引起機組的振動,從而使與之連接的管線也發生振動。

  （2）管道布置及安裝

  管道結構布局或支撐設置不符合規定。管線布置應在滿足工藝流程的條件下，盡量減少彎頭、變徑管、閥門等附件的使用。

  （3）氣流脈動

  往復式壓縮機的工作特點是吸、排氣呈間歇性和周期性變化,這種特性會導致管內氣體呈脈動狀態,使管內介質的壓力、速度和密度等既隨位置變化,又隨時間作周期性變化,這種現象稱之為氣流脈動。

  脈動的氣流沿管線輸送遇到彎頭、異徑管、控制閥和盲板等元件時,將產生隨時間變化的激振力,受此激振力作用,管線系統便產生一定的機械振動響應,壓力脈動越強,管線振動的位移峰值和應力越大。

  （4）共振

  當往復式壓縮機激勵頻率與氣柱固有頻率或管系機械固有頻率重合或接近時所引起的共振現象導致的往復式壓縮機管線振動。

  在研究和分析氣流脈動引起管線振動時,將同時存在2個振動系統和3個固有頻率。2個振動系統：管內氣體形成的氣柱系統,它由壓縮機氣缸的吸、排氣產生激發使管內壓力產生脈動；管線結構的機械系統,壓力脈動激發管線作機械振動。顯然若管線內脈動壓力較大,則會對機械振動系統產生較大的激振力,引起較強烈的機械振動。3個固有頻率：氣柱固有頻率、管路結構固有頻率、壓縮機激發頻率。當三者或其中二者相同及接近時就會產生共振,且表現為耦合振動。系統振動的迭加必然產生該階頻率的共振,使管線產生該階頻率的共振,使管線產生較大的位移和應力。

  3 針對機組振動引起管線振動的減振方法

  對于往復式壓縮機動不平衡引起的機體以及與之相連管線的振動，最根本的解決方法是改善往復壓縮機的結構性能，如將壓縮機改為對稱平衡型壓縮機，減小壓縮機活塞連桿和曲軸運動過程中的慣性力等等。

  3.1 壓縮機本身

  針對往復式壓縮機機組本身引起的管線振動，其解決方法的根本在于提高設備的支撐剛度和阻尼，尤其是往復式壓縮機基礎底座的支撐剛度。

  3.2 管道安裝

  支撐松動也會使管道在機組的帶動下振動超過安全標準。壓縮機管線的支撐應采用固定支撐或防振管卡，盡量避免采用懸掛結構或者簡單的支托；防振管卡布置時應該盡量避免幾何上與管道同心、同型，并且可以在管道的加固位置和支撐位置加彈性材料的吸振襯墊。

  4 針對壓力脈動引起管線振動的減振方法

  4.1 選擇合適的往復式壓縮機類型

  不同類型的往復式壓縮機對管線的激勵不同，選擇合適的往復式壓縮機類型，可以從根本上減小壓力脈動。

  4.2在合適位置法蘭處加設孔板

  在合適的位置增加孔板，可以大幅降低氣流脈動的不均勻度，該方法比較容易實施。根據工程經驗，孔板通常安裝在排氣管線緩沖罐的進/出口法蘭處。根據相關試驗發現：在緩沖罐后加適當的孔板總體效果最好，在緩沖罐前加孔板則可以使緩沖罐后的管路取得更好的改造效果，而緩沖罐前后均加孔板毫無必要。

  節流孔板就是中間開有一定孔徑比的鋼板，開孔的形狀對氣流脈動的減小效果影響很大。節流孔板開孔時不能倒角，這樣可以提高孔板限流的能力。

  4.3 增加緩沖罐

  可以利用往復式壓縮機出口緩沖罐的容積減小壓力不均勻度。緩沖罐的直徑應是與其相連管道直徑的兩倍以上，緩沖罐的體積應是氣缸單沖程排氣量的12倍以上。在實際設計過程中，常常使用API 618中關于緩沖罐容積的設計標準。緩沖罐的安裝位置離氣缸進出口越近越好，這樣能最大限度地減少氣流脈動。

  4.4 增大彎頭角度并且在彎頭處加固支撐

  按照氣流脈動的理論，彎頭的角度是往復式壓縮機管道受到氣流脈動的激勵力大小的重要因素之一，因此增大彎頭角度，可以減小壓力脈動不均勻度對管道的激振力。但是由于現場條件所限，彎頭的角度不能過大。在彎頭附近加固支撐，使支撐的剛度變大，保證壓力脈動不會引起較大的管線振動。

  4.5 數臺往復式壓縮機管線并聯排氣，使用集管器減小氣流脈動

  現在工程上通用的方法是在總管匯合之前加入集管器，集管器的流通面積至少是所有并聯排氣管線流通面積的三倍。集管器的工作原理與緩沖罐類似。

  4.6 采用阻尼器減小管線振動

  對于由氣流脈動導致的管線振動，可以通過增加阻尼器來減小它。阻尼器就相當于一個吸振器，把管線振動的機械能轉換成其他形式的能量，從而使管線振動減小。現在比較通用的阻尼器有金屬橡膠阻尼器、磁流體阻尼器等。阻尼器減振效果很好，但是沒有從根源上消除振動原因，而且阻尼器都有使用壽命限制，價格較貴。

  4.7 采用脈動衰減器減小管線振動

  其減小壓力脈動的效果比緩沖器好。但是由于其價格昂貴、結構復雜，在工程中使用較少。

  5 針對共振原因的管線減振方法

  5.1避免氣柱系統共振

  為了避免氣柱系統發生共振，需要在為往復式壓縮機配管之前根據壓縮機的轉速和介質計算出氣柱的共振長度。氣柱系統的固有頻率取決于介質的傳播速度和氣柱的長度，當往復式壓縮機對管線的激勵頻率處于氣柱固有頻率的共振區間時，往復式壓縮機管道內的氣柱系統就會發生共振。對于工業上使用的往復式壓縮機，壓縮的介質無法改變，因此介質的聲速就無法改變。想改變氣柱系統的固有頻率，只能通過改變氣柱系統的長度，氣柱系統的長度就是往復式壓縮機管線的長度。所以如果往復式壓縮機管線發生氣柱共振，需要重新進行配管布置。

  5.2避免管道系統發生機械共振

  當往復式壓縮機的激勵頻率落入往復式壓縮機管線固有頻率共振區間時會引管線系統機械共振。避免管線系統發生機械共振的關鍵就在于使激勵頻率和管線固有頻率錯開。管線系統的機械固有頻率要比氣柱系統的固有頻率復雜很多，其決定因素有系統的質量、剛度、阻尼等，想要改變系統的固有頻率就要從這幾方面下手。比較常用的手段有改變管道長度、改變管道直徑、改變管線支撐位置和支撐形式、在特定的部位增加配置等，其中工程上應用最廣的就是通過改變管線的支撐位置和數目來改變管道的固有頻率。

  管線支撐的位置、數目、剛度、質量等因素都影響著管線的固有頻率。增大系統的剛度、減小系統的質量可以增大管道的固有頻率，反之則減小管道的固有頻率。安裝管道的支撐時，留意支撐的相互距離，各支撐之間的相互距離保證大體上相同，但是每一段的距離都有一定差別，尤其是相鄰的兩段，其跨距絕對不能相等。這是因為每兩個支撐之間的管段就可以視為一條管線，其具有相應的固有頻率，保持每段的跨距不一致，使每段的固有頻率錯開，這樣就可以避免往復式壓縮機的激勵所引起的整個管線的共振。

  （摘自氫能源化工）