往复式压缩机组振动分析与控制

往复式压缩机组振动分析与控制
发布时间：2021-11-29T01:57:01.049Z 来源：《中国建设信息化》2021年第14期作者：王李勇尤圣斌余敏
[导读] 持续的振动会使管道发生疲劳损伤，导致连接部位破裂、介质泄漏，对装置的安全及稳定运行造成严重威胁。

王李勇尤圣斌余敏
浙江强盛压缩机制造有限公司浙江温州 325025
摘要：持续的振动会使管道发生疲劳损伤，导致连接部位破裂、介质泄漏，对装置的安全及稳定运行造成严重威胁。

因此必须采取措施将往复式压缩机的振动控制在合理的范围内。

基于我国往复式压缩机组的振动设计机理和振动技术应用理论，探讨相关振动设计控制技术，指导相关振动技术应用领域的工作。

关键词：往复式压缩机；管道异常振动；控制
引言
压缩机组故障（隐患）一般分为三类：一种是流体，它本质上属于天然气压缩机组热性能故障；另一种是电气性质的，属于天然气压缩机组电气参数故障；还有一种是机械性质，属于机械功能故障。

故障原因不同，反射的天然气压缩机组状态信号也不同。

为确定故障状态而收集的状态信号和所使用的分析方法也有所不同。

天然气压缩机组状态监测技术研究的重点是如何选择建立方法和手段间接评估天然气压缩机组状态。

单个传感器仅获得研究对象的部分和单方面的信息，信息量相当有限度，每个信息源可能会受到其自身质量和性能噪声的影响，并且所收集的信息通常不完整，且信息量较大。

天然气压缩机组的在线监测存在多种不确定性因素，有时甚至是错误的。

因此，有必要集成和智能地处理来自不同来源的大量信息。

天然气压缩机组系统是一个整体系统，每个组件都具有复杂的物理结构，通常包括机械、液压和电气部分，各个组件之间的故障关系非常复杂。

因此，这种类型的系统的故障诊断过程不能仅依靠单层信息，而应该集成和融合所有层和类型的信息。

天然气压缩机组多传感器信息融合应用系统可以充分利用多传感器的各种信息对压缩机组故障进行综合诊断，从而将单一故障诊断技术的准确性和可靠性提升数倍甚至达到质变的目标。

多传感器设备信息融合理论的研究为大型和复杂在线天然气压缩机组系统的实时监控，信号预测甚至警报方案的制定提供了基础，两者是密不可分的整体。

1往复压缩机工作原理
往复压缩机由曲轴驱动，连杆驱动活塞，活塞上下移动，活塞的运动改变了气缸内的容积。

随着活塞向下移动，气缸容积增加，进气门打开，排气门关闭，空气被吸入以完成进气过程;随着活塞向上移动，气缸容积减小，出口阀打开，入口阀关闭，压缩过程完成。

通常，活塞环以密封气缸和活塞之间的间隙，并且填料环和活塞杆共同作用以在活塞杆上形成密封。

2振动产生的原因
压力脉动是往复式压缩机进出口管道发生振动的首要原因，也是振动无法根除的内因，这是由往复机间歇性、周期性的工作特点决定的。

该工作特点致使管内流体呈现脉动状态，脉动的气流沿管道传输，遇到弯头、异径管、控制阀等元件后产生随时间变化的激振力，受此激振力的作用，管道结构及附件便产生一定的机械振动响应。

另外一个引发管道剧烈振动的重要原因是共振，包括气柱共振与结构共振。

管道系统内所容纳的气体称为气柱，气柱本身具有的振动频率称为气柱固有频率；由管道及其组件构成的系统具有的振动频率称为结构固有频率。

当气柱固有频率处于0.8fe~1.2fe区域时（fe为机组激振频率），引发气柱共振；当结构固有频率处于0.8fe~1.2fe区域时，引发结构共振。

减轻往复式压缩机的管道振动可以从消减压力脉动、避免共振产生两个方面着手。

3往复压缩机密封部件
3.1气阀
气阀由4个部分组成:阀座、阀片、弹簧、升程限制器。

其中，阀片是易损的部分，是阀座通道的打开和关闭元件。

传统的阀片主要由金属材料制成，但是近年来，由于非金属材料技术的进步，阀片主要由PEEK制成。

它具有诸如耐冲击性，对杂质不敏感，优异的耐油性，优异的自润滑性能和低运行噪音等优点。

3.2活塞环
活塞环是安装在活塞上的部件，用于密封和接触气缸壁，活塞环的实物图如图3所示。

主要作用是密封活塞与气缸之间，避免气体通过活塞进入机体中，防止机器因此失效。

密封活塞和气缸之间的间隙，以防止气体从压缩空间的一侧泄漏到另一侧。

活塞环的工作原理是依靠由多个活塞环形成的曲折通道，从而导致多次节流和堵塞，并对流经它的废气产生涡流阻塞作用。

当发生小泄漏时，会产生较大的阻力下降，从而实现密封。

该弯曲通道是由活塞环组的切口形成的通道。

气体从压力侧通过活塞环和活塞环凹槽之间的轴向间隙进入活塞环凹槽，并且空气压力径向向外施加在活塞环上，从而产生密封效果;切口是由于在压缩机工作时的平均工作温度一般情况下是高于室温的，这样就会根据不同材料的线胀系数计算开口的大小，保证密封环不会“胀死”在环槽里。

4往复式压缩机振动控制策略
4.1共振分析
某些情况下，尽管将压力脉动控制在了允许的范围内，但是由于管系结构接近共振状态，仍会引起较大的振动。

为了避免管系发生气柱共振和机械共振，必须对压缩机出入口管道进行振动分析。

通过建立管网结构模型，借助应力分析软件CAESARII，进行管道应力与结构固有频率的预测，评价由热梯度、热瞬变、管道安装重量、静压力和应变受约束产生的作用力以及应力的柔性分析结果是否符合规范，结构固有频率与压缩机激振频率的分离裕度是否符合API-618的分离裕度准则，按照该准则，结构固有频率要离开激振频率至少20%的范围。

通常是通过设置支架，必要时调整管道走向以得到符合规范的管道系统。

4.2调整结构固有频率
管系刚度是结构固有频率的重要影响因素，加大管系刚度可以提高结构固有频率，使其远离激振频率的共振区。

管系提交振动分析后，优先会通过调整支架的数量、型式来调整管系的固有频率。

在进行在压缩机的管道设计时，注意以下几点，可以极大提高振动分析的通过率：①尽量减少重要区段的弯头、三通、大小头等容易产生激振力的元件，在有激振力产生的部位以及阀门等有集中荷载的部位最好设置支架；②进出口管道的支架最好生根于深埋于地下的管
墩或结构立柱，尽量提高支架的刚度，且管墩、立柱应设置独立基础，避免与压缩机、厂房等的基础碰撞；③支架采用防震管卡，管卡采用扁钢，管卡和管道之间填充橡胶垫或聚四氟乙烯板，满足管道的热胀补偿要求；④管道支架宜采取不等间距布置，打乱共振振幅，有效避免管系共振。

4.3确保安装的精准性
在安装压缩阀之前，应仔细检查和清洁压缩机内部的各种零部件，若存在异物，要尽可能采取有效的方式做好清洁工作，以便下次安装。

完成阀门组装后，要展开有效的检查，将阀座正确放置，依据弹簧孔的位置调整弹簧，将提升限制器放到螺栓孔中和弹簧对齐，最后旋紧螺母结束组装。

完成配置后检查阀门，确保阀门上升保持均匀和无粘连。

结语
往复式压缩机管道剧烈振动的危害很大，可以降低压缩机的容积效率、减少排气量，损耗机组功率、气阀及控制仪表等，更为严重的是管道与其附件连接部位很容易发生松动与破裂，对装置的安全、平稳运行构成严重威胁，尤其是氢气是易燃易爆介质，极易发生氢气泄漏着火或爆炸事故。

通过ANSYS有限元分析软件以及速度传感器，对某炼油厂制氢装置氢气压缩机出口管线进行分析、测量，得到了1~15阶固有频率与主振型，为氢气压缩机出口管线的减振改造提供了科学依据。

参考文献
［1］龙晶.化工管线振动有限元分析与减振措施［D］.大庆：大庆石油学院，2008.
［2］许鹏先，段权，刘娟.高压聚乙烯管线振动的有限元分析［J］.石油化工设备，2008，37（2）：35-37. ［3］徐小宁.往复式压缩机组的振动机理及其控制探讨［J］.中国机械，2019（15）：72.。