关于往复式压缩机振动管道减振设计的分析

关于往复式压缩机振动管道减振设计的分析

张建文

关键词：往复式压缩机；振动管道；减振设计

1、往复式压缩机工作原理

1.1膨胀阶段

在活塞的运动造成工作室里面的容积增加的时候残留在其内部的高压的气体就会发生膨胀，此时气阀不会打开，只有当压力小于吸入管路的压力时气阀才会打开。

1.2吸气阶段

吸入口的气阀在压差的作用下打开，活塞运行，工作室容积变大，气体不断吸入。当压差消失后进气阀关闭。

1.3压缩阶段

活塞的反向运行，工作室的容积减小，当工作室压力增加时排气口阀门仍然关闭，气体被压缩。

1.4排气阶段

当工作室的压力大于排气管压力时，就会克服气阀压力排出气体。

2、往复式压缩机管道振动原因

2.1气流脉动引起的管道振动

往复式压缩机管道振动是由多种原因引起的，但生产中的管道振动多是由气流脉动引发的。从气流脉动大小与压力不均匀度来看，当管道的气流压力不均匀度增大时，振动频率就高，振动能量就会加大，对管道带来的破坏性也会越大。如果脉动气流通过管道弯头、分支管、阀门等时，压力不均匀度会引发管道振动的强大激振力，出现管道的机械振动。

2.2外力引起的管道振动

管道振动的原因是多样的，如强风横吹时，会在管线背风面产生涡流而引发管道振动；地震会引发管道振动等。

2.3机组振动引起的管道振动

压缩机的机组动力平衡性能较差、安装不当、基础设计不当等，会引发压缩机机组和管道振动，进而影响与它连接的管道，引发管系振动。

2.4振动造成的危害

压缩机由于其管道的振动剧烈，使得管道里发生破裂，并且破坏气阀，从而极大的减少了往复式压缩机以及相关零部件的使用寿命和使用安全。当振动噪声达到一定的标准后，就会形成噪声污染，同时也会降低机器设备使用寿命，可以说给人们的生活带来很多危害，因此，对往复式压缩机的振动管道进行减振设计就显得尤为重要。

3、往复式压缩机振动管道减振设计要点

3.1脉动消减

压缩机管线压力脉动的控制比较复杂，除了反复计算、合理调整外，尚须在系统的适当位置配置缓冲罐、孔板、支管、集管器等元件以消减或抑制压力脉动。

3.1.1选择合理的气缸作用方式

气流脉动是由于气缸的周期性激发所致，不同气缸作用方式将产生不同的气流脉动。选择合理的气缸作用方式，将从根本上降低进出口管道的气流脉动。

3.1.2增设缓冲罐

在压缩机气缸附近设置缓冲罐，凭借缓冲罐容积的能量储存作用可以吸收气体脉动，从而降低管道中压力脉动的不均匀度及由此造成的功率损耗、阻力损失。缓冲罐的减振效果与容积的大小和位置相关，为了能充分发挥缓冲罐减缓气流脉动的效果，使用缓冲罐时要满足两个条件：

①缓冲罐位置要尽量靠近压缩机进、出口处；

②缓冲罐容积要足够大，一般应大于压缩机活塞行程容积的10倍以上；

API-618规定缓冲罐的容积不小于式（1）—（2）的计算容积，且不应小于0.028m3。

（1）

（2）

式中：Vs——需要的最小吸入缓冲罐容积；

Vd——需要的最小排除缓冲罐容积；

K——绝热指数；

Ts——吸入侧绝对温度；

M——气体分子量；

PD——与气缸相连的气缸总容量；

r——气缸的压缩比。

3.1.3布置消振孔板

当气流通过孔板时，形成局部压力降，使管道尾端不再具有反射条件，从而降低了压力脉动的不均匀度，减轻管道振动。选择孔板的尺寸及安装位置很重要，根据试验推荐，孔板孔径与管道内径比d/D取0.43~0.50，厚度b取3~5mm，对低声速介质，d/D取大值，高声速介质取小值。孔板材料应与管道材料相同，且内径边缘处必须保留锐利棱角，不得倒角，否则降低效果。孔板必须配合缓冲罐等容器才能发挥减震作用，一般安装在容器的进、出口法兰处。

3.1.4增加集管器

当几台压缩机同时并联使用时，气流在汇合处脉动量相互迭加。迭加的结果与投入运行的压缩机的曲柄相位角相关，如果相位一致则加强，相位相反则减弱。为避免在多机汇合处产生过大脉动值，在汇合处设置集管器。为了减少正向脉动迭加，应增大集管器的流通面积，其大小应是所有进气管流通面积总和的3倍。

3.2共振消减

若工艺所需要的动力系统频率难以改变，应考虑改变管道固有频率和气柱共振长度来避免共振的发生。在激发频率与管道的固有频率相等时，通过调整管路长度及走向、支架位置及结构、管路结构尺寸、缓冲器的尺寸与位置、各管段的端点条件等，调整管路的固有频率，有效的消除共振现象。

3.3管道优化设计

3.3.1调整管路走向和弯管

往复压缩机管道激振力主要产生于弯管和异径管的接头处，因此在管路的布置中应尽量减少易产生激振力的管件如弯管、异径管等。同时过多的转弯会减小管系的刚度，使管系的机械固有频率减低。同时为了减小管路阻力，应尽量增大弯头弯曲直径，设计时弯头弯曲直径应大于3倍管路的直径。

3.3.2支架优化

为了彻底避开共振，一般常使管系的最低阶固有频率高于激振力主频率，因此，需要增加管系的刚度。通常中低压管道（P＜8MPa）管道机械固有频率不低于24Hz，高压管道（P＞8MPa）管道机械固有频率不低于28Hz。一般通过增加支架，或减小支架间的跨距来增加管系的刚度，从而提高管系的固有频率。

3.4严格装配及合理基础设计

压缩机组安装时应严格对中，定期检查。首先，由压缩机组机械松动引发的故障比较明显也容易判断，启动机组时就可以判断出振动是否是因为松动所造成的。其次，在正确设计基础减振的基础上，应定期更换螺帽，重新制造地脚螺栓；加固底座；局部或重做水泥混凝基础；调整联轴器径向，轴向同轴度。此类振动容易排查与处理，做好机组的日常维护和检查就可以排除松动对机组的危害。

结束语

往复式压缩机是一种使用较广的压缩设备，其管道的防振是一个十分重要的问题，涉及设计、施工等方面，而设计是减小管道振动的源头所在。因此，从管道设计角度，应充分考虑其减振设计，从脉动消减、共振消减、管道优化设计及合理基础设计并严格装配等方面实现，降低管道振动对往复式压缩机寿命的损耗，以确保压缩机长周期正常运转。

参考文献

[1]张银伟.往复式压缩机管道振动原因分析及对策[J].压缩机技术，2012.

[2]郭军.往复式压缩机管道振动原因与减振措施[J].广东科技，2014.