往復式壓縮機管道振動分析與優化探討

杜超

（中國石油大慶石化分公司化工二廠，黑龍江 大慶 163714）

在流體的運輸中，管道是非常重要的一環，尤其是在當前的工業領域中，管道的應用非常廣泛。在實際應用過程中，往復式壓縮機管道經常會出現振動問題，使得壓縮機的正常運行受到巨大影響，工作效率逐漸下降，對設備的安全性也形成了嚴重威脅。如果往復式壓縮機產生劇烈振動，會導致與其相連的機構產生嚴重破壞。另外，管道系統在運行過程中一旦發生共振，會使得管道系統內部的各個單元安全運行受到威脅，嚴重情況下甚至會引發工業安全事故，造成大量人員傷亡。因此，必須針對往復式壓縮機管道產生振動的具體原因進行深入剖析，并找出合理的解決措施，才能保障往復式壓縮機實現安全、高效的運行。

1 往復式壓縮機管道振動原因分析

在專業人員建立起管道流固耦合模型進行分析后發現，管道機械低階固有頻率處在往復式壓縮機激發共振區范圍內時，會導致管道系統產生劇烈振動；而管道內部流體在高速流動過程中通過彎管，由于會產生較大的管阻壓降以及二次流，導致彎曲管段位置的內壁出現壓力低流速現象，彎曲管道的外壁會出現高流速低的現象。管道內部流體會產生氣流脈動現象，而這種現象在開始階段非常劇烈，隨著時間的增加而逐漸趨于平緩。氣流脈動所引發的振動頻率與往復式壓縮機自身的激發態頻率接近時，就會導致管道產生振動現象。而往復式壓縮機在實際運行過程中在共振現象以及氣流脈動的共同影響下，會導致管道產生劇烈的振動。

1.1 共振

在往復式壓縮機管道運行過程中，共振是其振動的主要原因之一。處在往復式壓縮機管道內部的氣體在流體運輸過程中會形成一個系統，這種系統通常被稱為氣柱。氣柱本身會存在一定的頻率，這種頻率稱為固有頻率，往復式壓縮機的活塞在進行往復運動的過程中所產生的頻率稱為激發頻率。管道與其連接的相關元件會形成一個系統，這個系統所表現出來的頻率就是管道本身的固有頻率，而通常情況下，將0.8 ～1.2f 的頻率稱為共振區。如果往復式壓縮機在運行過程中氣柱的固有頻率與活塞往復運動過程中所產生的激發頻率共振區發生重疊現象，就會使氣柱出現共振現象，在此基礎上，就會產生巨大的壓力脈沖。如果管道的固有頻率與活塞在往復運動過程中產生的激發頻率共振區出現重疊，同樣會導致管道機械結構發生共振。而上述兩種共振的出現會導致往復式壓縮機進一步產生振動現象。鑒于此，在進行往復式壓縮機管道的設計過程中，要針對結構共振和氣柱共振現象進行充分考慮，最大程度避免共振現象的出現，可以采取合理手段針對管道和氣柱的固有頻率進行調整。

1.2 自身原因

往復式壓縮機在運行過程中，活塞的往復運動也會產生一個振動，而這種振動會進一步導致管道產生振動現象。另外，如果往復式壓縮機在安裝施工過程中出現錯誤的安裝方法，或者是機組完成安裝后動平衡性能較差，機組的支撐結構存在不合理設計之處，機組基礎設計存在不規范的現象，都會使得往復式壓縮機在運行過程中出現管道振動現象。

1.3 氣流脈動

往復式壓縮機在運行過程中氣流脈動也是導致其管道產生振動的主要原因之一。氣流吸排在壓縮機工作過程中會呈現出一定的周期性和間歇性，因此，當往復式壓縮機在運行時，處在管道內部的氣流必然會產生脈動現象，在這種情況下，就會使得管道內部流體流速、密度、壓力等相關參數在時間和空間不斷變化的情況下產生周期性變化，這種現象被稱為氣流脈動現象。

管道內部流體在經過盲板、閥門、異徑管、彎頭、分支管等設備時，不可避免地會出現一定的激振力。在這種激振力的作用下，會引發整個管道系統產生機械振動。隨著壓力脈動的不斷增加，會使得管道振動幅度逐步增加。當系統中產生強烈的壓力脈動現象時，不僅會使往復式壓縮機的運行效率下降，也可能導致壓縮機系統中的氣閥不能進行正常的開啟和關閉，在一些情況下，管道系統的振動會使得管道系統中部分元件出現嚴重損壞。

2 管道振動優化處理措施

2.1 避免共振現象出現

通過上述分析可以知道，共振是導致往復式壓縮機管道出現振動現象的主要原因之一。鑒于此，在針對往復式壓縮機進行設計的過程中，要盡量避開共振管長。共振管長主要指當活塞在進行往復運動的過程中產生一定激發頻率的情況下，往復式壓縮機管道實際產生振動的管道長度。在具體的設計環節中，要堅決避免管道長度與共振管長出現一致現象，與此同時，還要對二階共振管道長度給予高度重視，在此基礎上，才能夠有效避免往復式壓縮機在運行過程中產生共振現象，對氣柱和管道系統的共振進行有效預防，從而最大程度避免往復式壓縮機在運行過程中出現管道振動。

2.2 自身因素

首先，要針對管道進行合理調整。在往復式壓縮機運行過程中，異徑管及彎頭等接頭位置非常容易產生激振力，進一步引發管道產生振動。針對這種現象，在進行管道路線設計的過程中，應該盡量避免使用異徑管以及彎頭等能夠產生激振力的元件。此外，如果整個管道系統在設計過程中出現了大量的轉彎環節，會對整個管道系統的高度造成嚴重影響，導致管道系統固有頻率下降。

其次，要針對管道系統設計合理支架。為了最大程度避免往復式壓縮機在運行過程中出現管道共振現象，通常情況下，都需要充分保障管道系統自身的固有頻率最低值要超過激動力的主頻率，而要想實現這一目標，就要針對整個管道系統進行合理調整，有效地增加整個管道系統的高度。

通常情況下，在進行管道系統設計過程中，針對低壓管道系統要保證其固有頻率超過24.0Hz，而針對高壓管道系統進行設計時，要充分保證其固有頻率超過28.0Hz。在具體的實施過程中，可以針對支架間距進行合理調整，全面提升整個管道系統剛度，在此情形下，就能夠有效地提升整個管道系統的固有頻率。

2.3 設置緩沖器

針對整個管道系統合理位置設置相應的緩沖器，能夠最大程度避免往復式壓縮機在運行過程中出現管道振動現象。通過有效增加緩沖器，不僅可以有效改變管道內部氣柱的固有頻率，同時，還能夠將氣流脈動的幅值控制在最低程度，在此基礎上，就能夠實現往復式壓縮機管道振動的有效控制。在具體針對往復式壓縮機管道系統進行緩沖器設置的過程中，要對緩沖器本身的設置位置以及容積的具體大小給予高度重視。在緩沖器設置位置方面，應該充分保證緩沖期設置位置與往復式壓縮機氣缸距離保持最近，這樣才能發揮出良好的緩沖效果。而針對緩沖器容積的大小方面，要盡量保證緩沖器的容積能夠超過往復式壓縮機氣缸一個行程容積的10倍。只有在充分保證緩沖器容積大小以及安裝位置的合理性之后，才能夠讓管道內部的氣體在流動過程中保持平穩，在此情況下，就能夠最大程度避免往復式壓縮機在運行過程中出現管道振動現象。

3 結語

綜上所述，往復式壓縮機在實際運行過程中會因為自身因素、共振、氣流脈沖等幾種因素導致管道出現振動現象。而往復式壓縮機管道產生振動后會對管道系統產生嚴重損傷，而且也會使得往復式壓縮機的運行效率下降。鑒于此，要采取合理的措施有效地解決管道振動問題。在實際的施工中，可以通過對管道長度進行合理設計，最大程度避免管道系統出現拐彎現象，在合理位置設置容積大小科學的緩沖器可以有效避免往復式壓縮機管道出現振動現象。