活塞式壓縮機(jī)的管道振動(dòng)原因及防振措施

2006年11月06日 14:18:43人氣：1458來(lái)源：煙臺(tái)勾股通信技術(shù)有限公司

［摘要］活塞式壓縮機(jī)的管道振動(dòng)，不僅會(huì)使管道與閥門、附件等的連接松動(dòng)，還會(huì)使管道疲勞破壞并產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致介質(zhì)大量泄漏，引起燃燒爆炸。除此之外，振動(dòng)還會(huì)影響吸、排氣效果，機(jī)組效率降低。因此，活塞式壓縮機(jī)的防振是一個(gè)非常重要的課題。現(xiàn)就活塞式壓縮機(jī)管道振動(dòng)產(chǎn)生的原因及防振措施作了分析，提出了防振措施，給出了應(yīng)用實(shí)例。
［關(guān)鍵詞］活塞式壓縮機(jī) 管道振動(dòng) 氣流脈動(dòng) 防振措施
一、活塞式壓縮機(jī)管道振動(dòng)產(chǎn)生的原因
活塞式壓縮機(jī)產(chǎn)生管道振動(dòng)的原因很多。歸納起來(lái)主要有兩方面，一方面來(lái)源于壓縮機(jī)本身的慣性力和力矩，另一方面來(lái)源于氣流脈動(dòng)。實(shí)踐證明，現(xiàn)在使用的壓縮機(jī)所產(chǎn)生的管道振動(dòng)，大多數(shù)為氣流脈動(dòng)所引起。因此，消除管道振動(dòng)的首要措施是消除氣流脈動(dòng)，下面就氣流脈動(dòng)引起振動(dòng)的原因作一討論。
氣流脈動(dòng)引起的管道振動(dòng)，同時(shí)存在兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)是氣柱振動(dòng)系統(tǒng)，另一個(gè)是機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。
1．氣柱振動(dòng)系統(tǒng)
管路系統(tǒng)內(nèi)所容納的氣體通常叫氣柱，由于氣柱可以壓縮膨脹，并有一定的質(zhì)量。因此，氣柱本身就是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)氣柱受到一定激發(fā)后，會(huì)形成一定的受迫振動(dòng)。壓縮機(jī)的運(yùn)行對(duì)管路產(chǎn)生周期性的激發(fā)，當(dāng)氣柱對(duì)此激發(fā)作出響應(yīng)時(shí)，就形成氣柱受迫振動(dòng)，振動(dòng)的結(jié)果表現(xiàn)為壓力脈動(dòng)。一般活塞式壓縮機(jī)出口所產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力，相對(duì)于管內(nèi)平均壓力比較小，而管道內(nèi)的阻尼很大，因而它所引起的氣柱振動(dòng)不會(huì)太大。但當(dāng)激發(fā)頻率與氣柱固有頻率相等或相近時(shí)，就會(huì)激發(fā)氣柱產(chǎn)生氣柱共振。

簡(jiǎn)單管道氣柱固有頻率計(jì)算公式如下：
（1）一端封閉一端開(kāi)啟的管路

式中 c——聲速；
L——共振管長(zhǎng)；
i——階次。
（2）兩端均為封閉管路

管道上容器容積大于10倍管道容積時(shí)可視為開(kāi)啟端，壓縮機(jī)出、入端可看為封閉端。

2．管道振動(dòng)系統(tǒng)
管道結(jié)構(gòu)也是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)脈動(dòng)氣流遇到管路彎頭或管截面變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生激振力，在它的激發(fā)下，管道系統(tǒng)作出響應(yīng)，形成管道振動(dòng)，壓力波動(dòng)越大，激發(fā)力越大，管道振動(dòng)就越強(qiáng)烈?，F(xiàn)以彎管為例（見(jiàn)圖5），說(shuō)明激振力產(chǎn)生的原因及影響激振力大小的有關(guān)因素。

式中 R——彎管上的激振力；
p——管道內(nèi)氣流的脈動(dòng)壓力值；
S——管道通流面積；
β——彎管彎角。
R就是由于脈動(dòng)壓力引起作用在彎管上的激振力，彎角越大，激振力越大。
R的大小還與氣流的壓力脈動(dòng)有關(guān)，脈動(dòng)壓力p越大，R越大。壓力脈動(dòng)的幅度可由壓力不均勻度來(lái)表達(dá)

管道振動(dòng)系統(tǒng)還存在著另外一種情況，引起管道劇烈振動(dòng)。即在氣流壓力不均勻在允許值范圍內(nèi)的情況下，只要激發(fā)頻率等于或近似于管道系統(tǒng)固有頻率之一，就會(huì)引起管道機(jī)械共振。此時(shí)，管道振動(dòng)出現(xiàn)zui大振幅。
管道結(jié)構(gòu)固有頻率是管道系統(tǒng)作同步自由振動(dòng)時(shí)的頻率。它的大小與該系統(tǒng)的質(zhì)量和剛度有關(guān)。
固有頻率計(jì)算公式為：

由以上分析可知，氣柱共振，大的激振力及管道機(jī)械共振，都會(huì)引發(fā)管道強(qiáng)烈振動(dòng)。尤其是當(dāng)激發(fā)頻率、氣柱固有頻率、結(jié)構(gòu)固有頻率三者相等或相近時(shí)，管道和氣柱均處于共振狀態(tài)，導(dǎo)致管路發(fā)生zui強(qiáng)烈的振動(dòng)，機(jī)器無(wú)法使用。
因此，消除管道振動(dòng)，可以從消除氣柱共振、減弱激振力和避免管道機(jī)械共振三方面入手。
二、防振措施
1．防止產(chǎn)生氣柱共振
對(duì)一臺(tái)活塞式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，激發(fā)頻率是一定的。因此，防止管道氣柱共振，就只能調(diào)整氣柱固有頻率，使之避開(kāi)激發(fā)頻率，以免產(chǎn)生氣柱共振。要改變氣柱固有頻率，可從改變與之有關(guān)的因素人手。共振管長(zhǎng)是決定是否產(chǎn)生氣柱共振的重要因素。在設(shè)計(jì)階段，合理選擇管長(zhǎng)，使之避開(kāi)共振管長(zhǎng)是消除氣柱共振的*步。管道的合理布置，管道容器正確位置的確定，對(duì)消除氣柱共振同樣具有影響。一臺(tái)設(shè)計(jì)合理的壓縮機(jī)，只要嚴(yán)格施工，一般不會(huì)出現(xiàn)氣柱共振。
2．防止產(chǎn)生激振力
（1）減少管道上的彎頭、異徑管、閥門、附件等，以減少激發(fā)響應(yīng)點(diǎn)。
（2）采取措施，降低壓力不均勻度。
1）設(shè)緩沖器緩沖器是一種穩(wěn)定流體壓力或流量用的小容器，它起到平穩(wěn)壓力或流量的作用，使壓力不均勻度減少，流量平穩(wěn)，從而達(dá)到減振目的。
2）裝孔板在活塞式壓縮機(jī)管道的適當(dāng)部位安置孔板是消減現(xiàn)場(chǎng)管道振動(dòng)的有效措施之一，且實(shí)施方便，故使用日益廣泛。

孔板的作用是將管道內(nèi)的壓力駐波轉(zhuǎn)變?yōu)橐ǎ瑥亩档凸艿纼?nèi)的壓力不均勻度。引波就是正弦波以聲速向一個(gè)方向移動(dòng)傳播的波。而駐波是管道內(nèi)各處的壓力波沿正方向傳播的引波（正射波）和沿負(fù)方向傳播的引波（反射波）的疊加，它的振幅比行波大。
孔板將壓力駐波轉(zhuǎn)變?yōu)橐ǖ脑砭褪菍⒖装逖b在了壓力節(jié)點(diǎn)處，由于孔板有一定局部阻力，破壞了波反射條件，構(gòu)成了無(wú)聲學(xué)反射端點(diǎn)反射條件，使管路只有單向行進(jìn)的行波，從而達(dá)到減小壓力不均勻度的目的。
選用孔板時(shí)，尺寸一定要合理，主要考慮兩項(xiàng)：
開(kāi)口比：d／D＝0.43～0.50。
厚度：H＝3～5mm。
3．避免管道系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械共振
要避免管道系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械共振，只能調(diào)整管道結(jié)構(gòu)固有頻率避開(kāi)激振頻率。在設(shè)計(jì)階段要注意管道質(zhì)量和剛性，算出管道結(jié)構(gòu)固有頻率，使之避開(kāi)激發(fā)頻率。如現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)機(jī)械共振，可采用捆綁，或加、減支承的方式改變其剛度。以改變管道結(jié)構(gòu)固有頻率，避開(kāi)激振頻率。消除管道機(jī)械共振。
三、消振實(shí)例
1．消振前情況簡(jiǎn)介
某廠甲醇循環(huán)機(jī)J202／A、B（技術(shù)參數(shù)如表1）在改造前，壓縮機(jī)出、人口管線和設(shè)備振動(dòng)情況十分嚴(yán)重。由于強(qiáng)烈振動(dòng)，造成了管道焊縫開(kāi)裂，壓力表和溫度計(jì)過(guò)早損壞，換熱器隔板振裂，并有強(qiáng)大的噪聲。改造前的兩年間，共損壞密封68套，裝置停工34次，因振動(dòng)原因造成的裂縫41道，嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

2．振動(dòng)原因分析
振動(dòng)原因歸納起來(lái)有兩條。關(guān)于*條，這里不予討論，只從理論上來(lái)論證一下氣流脈動(dòng)對(duì)振動(dòng)的影響。
氣流脈動(dòng)是振動(dòng)的根源?？刂泼}動(dòng)壓力幅度，使它處于允許值范圍內(nèi)是消除管道振動(dòng)的根本方法之一。
先分析一下J202中的壓力不均勻度。

那么，如此強(qiáng)烈的振動(dòng)是否還存在著管道機(jī)械共振呢?這點(diǎn)可通過(guò)計(jì)算管系結(jié)構(gòu)固有頻率來(lái)判斷。

查《工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》得管子質(zhì)量為：

與激振頻率相近，可見(jiàn)管道也存在機(jī)械共振，應(yīng)改變管道結(jié)構(gòu)固有頻率。用增加其剛性，提高固有頻率的方法可達(dá)目的，在該管道下新增兩支撐托架。
現(xiàn)驗(yàn)算加支承后管結(jié)構(gòu)固有頻率：
增支承后一段管長(zhǎng)變?yōu)長(zhǎng)＝200cm，則

激振頻率不在共振區(qū)，可以消除管道機(jī)械共振。
3．現(xiàn)場(chǎng)采用的消振措施
甲醇車間在分析論證后，采取了如下防振措施。

（2）出口處增設(shè)汽液分離器。避免汽液兩相發(fā)生互擊。

（4）管道改直、加粗、減少?gòu)濐^22個(gè)，閥門5個(gè)，去除大小頭4個(gè)。
（5）提高焊接質(zhì)量，用三通代替直接在管道上開(kāi)口。
（6）增加管系剛性，增加支承改變管系結(jié)構(gòu)固有頻率，使之遠(yuǎn)離激發(fā)頻率。
四、效果
上述措施實(shí)施后，振動(dòng)明顯降低，噪聲基本消除，實(shí)測(cè)指標(biāo)符合要求，開(kāi)工后對(duì)振動(dòng)值測(cè)量比較情況如表2。消振措施取得了滿意效果。

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