壓縮機管道振動的研究

　　1管道振動的原因

　　壓縮機及其管線，管線及其支架，這些相連結的各種設備或裝置構成了一個復雜的機械(machinery)結構系統，該系統產生振動是一個受多種因素影響的過程(guò chéng)，主原因有以下3點：
　　1．1管流脈動管道流體(fluid)的壓力，速度，密度（單位:g/cm3或kg/m3)等參數(parameter)隨時間呈周期性變化的現象稱管流脈動。往復壓縮機由于吸，排量的間歇性和周期性使管道流體的壓力，速度，密度等參數發生變化，這種變化既表現在隨位置（position )的變化也表現在隨時間的變化上。脈動氣流在管道運輸過程中遇到彎管，三通，閥門，法蘭，盲板，異徑管等管道元件時會產生隨時間變化的激振力，這些激振力作用于管道和附屬設備產生振動。
　　1．2由于設備裝配不當或者基礎設計不當引起的振動(vibration)
　　壓縮機運動機構（organization)不平衡質量產生的慣性力或基礎設計不當都可以引起機組和管道振動，安裝(installation)應符合安裝規范，保證其振動在設計范圍之內地腳支承不穩定（解釋:穩固安定；沒有變動)，無法有效吸收管線振動能量，因此管道振動往往是基礎設計不當造成的。壓縮機API標準（API617-2002）第三章333對壓縮機的地板和墊板裝配做出了明確規定，按照裝配圖進行安裝可以有效的降低管道的振動。
　　地腳支撐不穩，基礎松動會引起壓縮機本身和管線的劇烈振動，即使是在空載情況下也會導致機組的劇烈振動。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備。空氣壓縮機與水泵構造類似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。所以在實際操作控制中裝配一般符合安裝規范，如果設備和管線振動異常劇烈時，首先考慮的就是地腳螺栓，基礎有沒有松動等。
　　1．3共振
　　（1）氣柱共振：管路系統內所容納的氣體(gas)稱為氣柱。昆山空壓機保養冷卻水通過管道進入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進行冷卻降溫，再進入后冷器對排氣進行冷卻，另一路冷卻水進水管道經過主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進行冷卻。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。氣柱本身就像振動系統中的彈簧一樣，氣柱可以壓縮膨脹，并有一定的質量。因此，氣柱本身就是一個振動系統，在一定激發力作用下會發生振動。壓縮機(compressor)活塞運動時周期性地向管路吸氣，排氣(Exhaust)對管路中的氣體產生激振力，引起氣柱振動。氣柱共振是指壓縮機激發頻率為（08~12）倍的氣柱共振頻率時，管道中的氣柱處于共振狀態，此時氣流壓力脈動異常嚴重，引起
　　影響氣柱固有頻率的因素除介質（氣體）的組成外，還有緩沖器的尺寸和設置位置，接管直徑的大小，管系的分支，直管段長度，管段端點狀態等，改變這些條件可以改變氣柱的固有頻率
　　對于簡單管系，可以通過計算和改變共振管長來簡化設計，以避開共振。所謂的共振管長是指當激發頻率一定時，導致氣柱發生共振的光直管管段長度。共振管長可以分為下列幾種情況進行計算
　　（a）一端為開端，一端為閉端情況(Condition)
　　此種情況下，與管道連接的容器，一端容積較小，一端容積較大，例如緩沖器至壓縮機氣缸入口(rù kǒu)和壓縮機氣缸出口至緩沖管之間的管道。
　　（b）兩端均為閉端情況，兩端均為開端情況此種情況下。
　　（2）管道(Conduit)機械共振：由管子，管件和支架(Bracket)組成的管道本身也是一個彈性系統。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備。空氣壓縮機與水泵構造類似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。管道系統根據配管情況，支撐的類型和位置，也會有一系列的固有頻率，當激發頻率與某階固有頻率相等或相近時，便發生管道的機械共振。
　　當激發頻率(frequency)為（08~12）倍的管道各階次固有頻率（尤其是低階次）之外時，就可以避開管道的機械振動。與氣柱共振一樣，機械共振在工程設計(design)中是必須避免的。當管系的固有頻率不能完全錯開激振頻率時，應調整管系結構，使之最終滿足要求。
　　2振動消減措施針對上述原因，往復壓縮機(compressor)管道振動解決辦法有3點：
　　（1）控制管流脈動，不產生諧振；
　　（2）緊固地腳螺栓，壓縮(compression)機基礎等，消除松動引起的機體與管道的振動；
　　（3）調整管線的固有頻率，調整管系的氣柱振動頻率，使其不與激發頻率相一致，消除或者降低共振引起的管道振動。
　　2．1壓縮機管流脈動的消減
　　壓縮機管線壓力脈動的控制比較復雜，除反復計算，合理調整外，尚須在系統的適當位置正確配置緩沖器，孔板，支管，集管器的元件，或者在某些部位設置諸如液流消振器，消振簧，儲能器等裝置，以消減或抑制壓力脈動。
　　消振設備有以下幾種。
　　（1）氣缸(壓縮空氣)出口設置緩沖管設置緩沖管可以有效地降低壓力(pressure)脈動對管道的沖擊，主要原理是憑借緩沖器容積的能量儲存作用進氣緩沖器限制（limit）從氣缸上游來的放射壓力波進入進氣管道；排氣緩沖器不僅限制返回的反射波進入氣缸，而且限制壓力波進入排氣管道。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。
　　緩沖器的消振效果取決于緩沖器容積的大小和位置是否足夠靠近氣缸。緩沖器安裝在靠近壓縮機氣缸處是簡單而有效的減振措施，遠離氣缸的緩沖器往往不能起到預期的緩沖效果。
　　（2）增加孔板
　　所謂孔板衰減器就是把開有圓孔的厚度為幾毫米的鋼板插在連接管道的又叫法蘭凸緣盤或突緣之間。孔板能夠使氣流脈動下降，就在于它是一個阻力(resistance)元件。如果我們能在管道和容器的適當位置安上一塊尺寸(size)恰當的孔板，當氣流通過它時，形成局部（part)壓力降，使原來具有反射能力的端點失去反射能力，構成無聲學反射的端點條件。
　　當壓縮機組結構不允許緩沖器緊靠氣缸，緩沖效果不理想時，特別是氣缸與緩沖器連接管為共振管長時，通過在緩沖器法蘭處安裝恰當尺寸(size)的孔板可以把管道(Conduit)內的氣流由駐波變為行波，從而降低氣流壓力的不均勻度，以增強緩沖效果，達到減振目的。
　　選擇孔板尺寸及安裝(installation)位置是很重要的。孔板的尺寸對減振的效果也有極大影響，根據試驗推薦孔板孔徑與管道內徑比為：d/D=043~050，厚度b =3~5mm，選用時對低聲速介質，d/D可以取靠近05；對于高聲速介質，可取靠近043.孔板材料與管道材料要相同，孔板內徑邊緣處必須保留銳利棱角，不得倒角，否則效果要降低。孔板應安裝在足夠大的容器進，出口法蘭處。孔板遠離容器時，不再形成無反射的條件，只是一個單純的局部阻力元件，無法起到消振作用。因此，沒有緩沖罐而單獨使用孔板將無法起到消振作用。
　　（3）增加集管器
　　幾臺壓縮機同時并聯使用(use)時，氣流在集氣管處相匯合，脈動量就相互迭(dié)加。迭加的結果：有時相互抵消，有時相互加強。一般為了最大化減少正向脈動迭加，使集氣管具有一定的緩沖作用，通常原則是增大集氣管的流通面積，其大小應是所有進氣管流通面積總和的3倍。集管器消振是由幾臺并聯運行的壓縮機排氣管匯合于總管（稱為集管）而消振的。
　　另外還可以用穿膛式液流脈動消振器來減少氣流脈動引起的振動(vibration)，穿膛式液流脈動消振器的消振機理是隔振型的。充入的氣體提供了極柔軟的彈簧(Spring)作用，使后繼管內的液柱與振源隔離，濾波管對脈沖液流起著良好的抑制作用，后繼管液流脈動是典型的受迫振動。
　　2．2基礎松動引起的消減措施
　　地腳支撐（sustain）不穩，基礎松動會引起往復壓縮機和管線的劇烈振動，往復壓縮機啟動時即使是在空載情況下也會引發機組與管線的劇烈振動。機械松動引起的振動非常明顯，對機組的破壞也比較大。
　　機械松動引發的故障比較明顯也容易判斷，啟動機組工作時就可以判斷和檢查振動是否是因為松動對機組和管線造成的。基礎減振應更換螺帽，重新制造地腳螺栓；加固底座；局部或重做水泥混凝基礎；調整聯軸器徑向，軸向同軸度。這種情況容易排除，做好機組的日常維護和檢查就可以排除松動對機組的危害。這里我們不做重點討論。
　　2．3共振的消減措施
　　（1）控制固有頻率由于動力(dòng lì)系統的頻率工藝需要難以改變，所以應考慮改變管道(Conduit)固有頻率和氣柱共振長度來避免共振的發生。對于氣柱共振應通過調節管道的氣柱共振長度來改變管道氣柱固有頻率共振發生；在激發頻率與管道的固有頻率相等時，通過改變調整管路的走向，支撐位置，支撐結構，管路結構尺寸等方式，調整管路的固有頻率，可以有效的消除共振現象。
　　（2）最大化減少管道彎道數目和加大管道轉彎角度
　　在往復壓縮機管道的運行中，其激振力主要產生于彎頭和異徑管的接頭處，因此在管道的安裝中應盡量減少彎頭的使用，使管道走向平直，以減少激振力數目，又因彎管處的激振力與轉彎角度相關，增大轉彎角度可以增強減振效果，同時要進行固定，即避免空間轉彎。這是為了減小產生激振動場所，從而緩解機械振動。
　　（3）調整支承位置和支承剛度
　　適當調整支承位置和支承剛度，使管道固有頻率避開激發(excite affected)頻率，以避免機械共振的發生。在實際管道中，支座數量，間距和它本身剛度的變化對整個管道剛度的影響是十分顯著的，并且相對容易實現。
　　支架(Bracket)形式不同，其剛度必然有所差異，對管系固有頻率的影響程度也會有所不同。一般支架的跨距應大體相同（相鄰支架最好不要完全相等），因為各支架的跨距中只要有一個較大，管道的機械固有頻率就會顯著降低。
　　3振動原因的識別方法
　　對往復壓縮機管線振動的原因進行分析，總結，對管線的振動原因進行識別，找出引發往復壓縮機管線振動的振源，來制定合理的減振措施（指針對問題的解決辦法)。
　　如果機組開啟時機組和管線的振動(vibration)都異常劇烈，即使是在空載情況下振動也異常劇烈時可以先判斷是否由于機組合安裝配(assemble)不當或者基礎不穩引起的振動；如果帶壓運行后管線振動非常(very much)劇烈可判斷是否由于氣流脈動引起的振動。氣流脈動可以傳遞到管線很遠的地方，氣流脈動和共振發生時一般都會引起管線的劇烈振動，此時管線和機組的振動幅度和基礎不穩引起的機組振動是明顯不同的。
　　區分氣流脈動還是共振引起的管線劇烈振動，可以采用振動測試法來判斷。脈動是氣流在管道中傳遞過程中遇到管道元件引起振動，而共振是由于機組動力系統的激振頻率落在氣柱或者管道的固有頻率（0．8~1．2）倍頻區間時引發的管線劇烈振動。
　　4總結
　　往復壓縮機的布置和防振是一個十分復雜的問題，也是機組運行經常遇到的問題。管線防振涉及到管線設計制造，設備布置，器材選擇，支架形式及設備安裝(installation)等方面。往復壓縮機制造工藝的精確，安裝過程的高標準嚴要求，設備和管道布置的合理性等，將從源頭上降低整個管系的振動。現場減振，對已經發生振動的管道，必須首先判斷清楚產生振動的原因，通過計算來確定是由于機組基礎不穩，壓力不均勻度過大，還是管線產生了共振，然后再采取相對應的減振措施。這樣才可以消除管線異常振動，保障安全(security)生產。