往復(fù)式壓縮機(jī)出口管道的設(shè)計(jì)

喬彥彬

(河南開(kāi)元空分集團(tuán)有限公司，河南 開(kāi)封 475004)

往復(fù)式壓縮機(jī)在制氧領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其工作特點(diǎn)是活塞在氣缸中進(jìn)行周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起吸排氣呈間歇性和周期性變化，致使管道內(nèi)氣體參數(shù)(如壓力、速度、密度等)隨時(shí)間作周期性變化，我們稱這種現(xiàn)象為氣流脈動(dòng)。當(dāng)脈動(dòng)氣體遇到彎頭、異徑管、閥門、盲板等管道元件后將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的激振力，受此激振力的作用，管道產(chǎn)生振動(dòng)。該振動(dòng)如果超出允許范圍，就有可能導(dǎo)致管道破裂而影響生產(chǎn)。所以控制壓縮機(jī)出口管道的振動(dòng)勢(shì)在必行。下面分析下導(dǎo)致壓縮機(jī)出口管道振動(dòng)的原因及控制方法。

1 振動(dòng)的原因分析

在解決往復(fù)式壓縮機(jī)管道振動(dòng)的問(wèn)題之前，應(yīng)先找出壓縮機(jī)管道振動(dòng)的原因。導(dǎo)致壓縮機(jī)出口管道系統(tǒng)振動(dòng)的原因很多，歸結(jié)起來(lái)大致分為:1)壓縮機(jī)自身的振動(dòng);2)氣流振動(dòng);3)共振。

2 防振措施

2.1 壓縮機(jī)自身的振動(dòng)

要求壓縮機(jī)制造商應(yīng)保證出廠的壓縮機(jī)滿足API-618對(duì)脈沖和振動(dòng)控制的要求［2］。

2.2 氣流振動(dòng)

解決氣柱振動(dòng)帶來(lái)的不利影響時(shí)，可以從以下兩方面入手:即壓力不均勻度的控制和共振的控制［1］。

從壓力不均勻度考慮:

壓力不均勻度是反應(yīng)介質(zhì)壓力上下波動(dòng)程度的一個(gè)概念，它等于正常情況下管路內(nèi)出現(xiàn)的最高峰值壓力與最低峰值壓力的差，然后被平均壓力相除所得的百分比。

δ—壓力不均勻度，%;

P—管道內(nèi)平均壓力(絕壓)，MPa;

Pmax—管道內(nèi)的最高峰值壓力(絕壓)，MPa;

Pmin—管道內(nèi)的最低峰值壓力(絕壓)，MPa。

由概念知:壓力不均勻度反應(yīng)了管道內(nèi)壓力波動(dòng)的程度，壓力波動(dòng)的越大，管道內(nèi)工況越劇烈，就會(huì)給機(jī)器本身、管道、管道支撐件等帶來(lái)一系列不利影響。壓力的波動(dòng)反應(yīng)在氣柱的振動(dòng)上，氣柱的振動(dòng)增大，會(huì)導(dǎo)致由氣柱產(chǎn)生的激振力增加;同時(shí)壓力不均勻度還會(huì)降低氣閥使用的可靠性，縮短氣閥的使用壽命;它可能破壞安全閥的嚴(yán)密性，影響安全閥的性能等。因此工程上都將壓力不均勻度控制的某一個(gè)值一下，該值可由下式確定:

［δ］≤1.9p1/3×100%［2］

式中［δ］--管道內(nèi)許用的壓力不均勻度，%;

P—管道內(nèi)的平均壓力(絕壓)，MPa。

一般情況下，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力P為0.35～20.7MPa時(shí)，其壓力不均勻度可以按照下式計(jì)算:

式中D—管道內(nèi)徑，mm;

其中Y1為每周內(nèi)壓縮機(jī)的排氣次數(shù)。對(duì)單作用缸Y1=1，雙作用缸Y2=2;Y2為激發(fā)主頻率的介次。Y2分別等于1，2，3……;n為壓縮機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分。

從上式中不難看出，影響管道內(nèi)介質(zhì)壓力不均勻度的因素有管道的內(nèi)徑D，平均壓力P和氣柱振動(dòng)的激發(fā)主頻率ω，增加P、D和ω都可以達(dá)到降低壓力不均勻度的目的。增加激振主頻率，即增加壓縮機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，將會(huì)引起一系列設(shè)計(jì)參數(shù)的改變，同時(shí)會(huì)帶來(lái)其他一些不利影響，因此一般不采用增加壓縮機(jī)主軸轉(zhuǎn)速和的辦法來(lái)減少壓力不均勻度。而管道內(nèi)的平均壓力P是生產(chǎn)裝置的工藝操作參數(shù)，它取決于工藝操作要求，也不宜改變，但可以通過(guò)局部瞬間高壓來(lái)降低壓力不均勻度，例如:壓縮機(jī)出口設(shè)置孔板等來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該注意的是，設(shè)置孔板也有不利的一面，即它會(huì)造成氣體壓力的損失。

另外增加管道的直徑也可以達(dá)到降低壓力不均勻度的目的。但大幅度增加壓縮機(jī)出入口管道的直徑單從增加投資成本來(lái)說(shuō)是不科學(xué)的，另外增加管道直徑還將帶來(lái)一系列其他問(wèn)題，例如:相應(yīng)的機(jī)器和設(shè)備管嘴也需要跟著增大;由于管道直徑的增大，熱膨脹產(chǎn)生的管道靜應(yīng)力也會(huì)增大，也就是說(shuō)對(duì)機(jī)器、設(shè)備和支吊架的推力增大等等。工程上通常采取管道系統(tǒng)局部擴(kuò)徑的辦法來(lái)減小壓力的不均勻度，具體的做法是在靠近壓縮機(jī)吸氣和排氣口處設(shè)置緩沖罐。來(lái)降低氣體壓力的高峰值和低峰值的作用，從而達(dá)到減小壓力不均勻度的目的。

設(shè)置緩沖罐應(yīng)注意的問(wèn)題［2］:

a.緩沖罐應(yīng)盡量靠近氣缸設(shè)置。越靠近氣缸，不能得到緩沖的管道就越短;

b.緩沖罐要有合適的體積。若偏小，對(duì)壓力不均勻度影響較小，也就是說(shuō)對(duì)緩解壓縮機(jī)進(jìn)出口管道振動(dòng)較小，不足以減小到安全范圍內(nèi);若偏大，首先從經(jīng)濟(jì)上考慮有點(diǎn)浪費(fèi)，另外給緩沖罐的安裝、支撐和制造增加了困難。工程上，一般情況下緩沖罐的緩沖容積應(yīng)大于壓縮機(jī)行程容積的10倍且不應(yīng)小于0.028m3。API618標(biāo)準(zhǔn)給出的緩沖罐容積的計(jì)算公式如下［1］:

ω—管道內(nèi)氣柱振動(dòng)的激發(fā)主頻率，Hz;

式中Vs—表示入口緩沖罐的最小容積，m3;

Vd—表示出口緩沖罐的最小容積，m3;

K—絕熱指數(shù);

Ts—入口側(cè)氣體絕熱溫度，K;

M—?dú)怏w分子量;

V—壓縮機(jī)氣缸每轉(zhuǎn)排(吸)氣體的總凈容積，m3;

R—?dú)飧椎募?jí)壓比。

2.3 共振

當(dāng)氣柱的固有頻率接近或等于激振頻率時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，由于共振引起的振幅較大，使得它作用于管道的力劇增，從而導(dǎo)致管道元件的破壞，因此工程設(shè)計(jì)中必須避開(kāi)氣柱共振。

在管道防振設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)管內(nèi)介質(zhì)和激振頻率計(jì)算可能發(fā)生氣柱共振的管道長(zhǎng)度，管道布置時(shí)避開(kāi)0.8～1.2倍共振管長(zhǎng)，或者用caesarII軟件模擬，讓前3階頻率落在管道激振頻率的0.8～1.2倍外。影響氣柱固有頻率的因素有:介質(zhì)、緩沖器的大小和位置、管道直徑的大小、管系的分支、直管段長(zhǎng)度、管段端點(diǎn)狀態(tài)等，改變這些條件即可改變氣柱的固有頻率。

3 管道設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

3.1 管道布置

1)盡可能沿地面或降低管道高度敷設(shè)，有利于管道支撐，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)是，易進(jìn)一步設(shè)置支架和采取防振措施。

2)壓縮機(jī)進(jìn)出口管道盡可能減少?gòu)濐^數(shù)量，盡量采用長(zhǎng)半斤彎頭，縮短管道長(zhǎng)度，從而減小氣柱激振力。

3.2 管道支吊架的設(shè)計(jì)原則

1)在滿足設(shè)備管口和管道自身柔性要求的情況下，盡可能增大管系的剛度，可以通過(guò)增加管架數(shù)量，加大管架自身剛度［3］等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2)活塞式壓縮機(jī)的支架最好采用防振管卡或固定支架，不能采用簡(jiǎn)單的托架和吊架。

3)管架基礎(chǔ)應(yīng)單獨(dú)設(shè)置，避免機(jī)器自身的振動(dòng)影響甚至增大管道的振動(dòng);避免管道支架基礎(chǔ)與其他基礎(chǔ)相連，防止管道與廠房產(chǎn)生共振。

4)管道在支架上的固定應(yīng)盡量采用防振支架。管卡應(yīng)采用扁鋼，不宜采用圓鋼，并且在管卡與管道之間應(yīng)加石棉墊或聚四氟乙烯墊片。如果采用帶管托的防振管卡，不能簡(jiǎn)單放置在支架和地面上，其根部應(yīng)固定好。

5)管道支架之間的間距和位置，應(yīng)通過(guò)計(jì)算管系的固有頻率，來(lái)最終確定。

6)在壓縮機(jī)出口附近位置的管道上首先加固定支架，盡可能減小管系對(duì)設(shè)備管口的影響。

3.3 應(yīng)力分析

往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道應(yīng)盡量采用專利或根據(jù)工程實(shí)例來(lái)設(shè)計(jì)，否則應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析。多臺(tái)機(jī)器并聯(lián)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)多種工況分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

管道振動(dòng)是在往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，引起壓縮機(jī)進(jìn)出口管道振動(dòng)的原因比較復(fù)雜，管道設(shè)計(jì)時(shí)要盡量控制管系固有頻率和共振管長(zhǎng)，避免共振的發(fā)生，根據(jù)管系固有頻率來(lái)確定管架位置及型式、管道走向，合理增大管道直徑和緩沖罐的容積，綜合可能發(fā)生振動(dòng)的原因，盡可能減小振動(dòng)，使之在合理的范圍內(nèi)。

［1］岳進(jìn)才.壓力管道技術(shù)(第二版)中國(guó)石化出版社，2006.

［2］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析(第二版)中國(guó)石化出版社，2010.

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局.全國(guó)壓力管道設(shè)計(jì)審批人員培訓(xùn)教材(第二版).中國(guó)石化出版社，2013