在石油化工及工矿企业中,广泛的使用管道输送流体。管道振动非常普遍,特别是使用压缩机的场所。管道的振动常常会影响正常的生产运行,有时甚至会导致事故的发生。本文所述LNG工厂,压缩机管道振动非常严重,办公楼都能感受到强烈的振动,导致无法提高工作压力,严重影响了正常的生产。无奈之下,该公司领导只能降低负荷生产。
1 管道振动的原因
压缩机、管道、管道支架等设备构成了一个机械结构系统,引起该系统振动的原因很多,归纳起来可以分为流体脉冲、机体自振、共振三个方面。
1.1 流体脉冲
往复式压缩机间歇性的吸气排气过程中产生的气柱振动是振动的主要原因。在往复式压缩机吸气、排气的过程中,出入口管路中的气流压力和流速会产生间歇性的变化,这就形成了气流脉冲。气体在管路中形成的气柱有质量和弹性,受胁迫后会产生受迫振动,振动的结果表现为压力脉冲。
1.2 机体自振
压缩机自振主要发生在压缩机附近管道,一般有两种原因,一是压缩机自身振动带动附近管道一起振动;二是压缩机主体动平衡欠佳,机器振动带动压缩机基础振动,管道支架基础与压缩机基础相连,从而导致管道基础振动。
1.3 共振
共振可以分为两类:一是气柱共振;管道中的气柱相当于一个和弹簧类似的振动系统,具有一系列的振动频率,当压缩机的固有频率与某阶固有频率相近时,系统就会产生对应该阶频率的共振。二是管道机械共振;产生脉冲的气柱遇到弯头、阀门、孔板等元件就会形成振动,当弯头、元件的振动频率与气柱频率相近时,就会形成共振,从而导致振动更加强烈。
2 管道振动机理
管道振动是机械振动的一个特殊类型。以管道作为媒介输送流体,压缩机提供输送动力。管道的两端连接处可能为压缩机的进出口、孔板流量计、缓冲罐、阀门等机械设备(原件)。管道及其支架与压缩机等设备构成了一个复杂的机械结构系统。该系统在流体产生激振力的情况下会产生振动。压缩机的动平衡、设备基础的稳定性如果设计有缺陷,就会引起压缩机、基础以及与它们相连接的管道振动。在现实情况中,压缩机以及基础设计缺陷问题几乎是不存在的,管道振动主要还是由于间歇性加压形成的气流脉动。压力脉动会在管道的弯曲部位、变径部位或通过阀门等处,产生随周期性的的激振力,进而引起管道系统发生振动。在相同压缩机的吸、排气情况下,管道振动的情况与管道内气体的分子量、压力、温度、密度和速度以及管道的长短、直径、壁厚、走向、相互配置的几何关系等有关系。如果管道是直的,无论管道内压力脉动的大小如何,是不会形成激振力的。由于厂房面积、工艺情况等因素,全采用直管几乎是不可能的,弯曲和变径处就会产生激振力。另外,管道内压力脉动的大小与管系的几何形状有密切的关系。管道内的流体是一个弹性体,相当于气柱,管道的几何配置不同气柱的形状就不同,对管道的激振力也不一样。
3 影响管道振动的因素
3.1 压缩机自身状况
管道的振动情况与压缩机的固有频率和吸排气情况有很大的关系。压缩机的固有频率无法改变,但吸排气情况与压缩机的运行稳定有直接关系。
3.2 流体的物理参数
在压缩机的吸排气情况相同的情况下,振动与流体的组成、密度、压力、温度、分子量等有关系,也与管道的长短、直径、走向、壁厚等有关系。因此,在管道设计时,首先要清楚流体的物理性质;其次,根据工艺条件要求以及配管刚度要求计算管道的几何配置;最后,利用已知参数计算气柱和管道系统的固有频率,如果两者比较接近,则需要重新设计管道系统走向。
4 管道的减振方法
分析了振动原因及影响因素,管道的减震方法可概括为以下几个方面:
(1)调整气柱和管道系统的固有频率,消除引起共振的必要条件。
(2)减缓压力脉冲,降低脉冲激振力。
(3)改善流体机械及其基础的动平衡,减少由于不平衡引起的管道振动。
4.1 消除共振
消除共振就是指气柱和管道系统的固有频率与激发频率三者有较大的差值。由于压缩机无法更换,只能通过改变气柱的固有频率和管道系统的固有频率来消除或减弱共振。气柱的固有频率与气体的成分、压力、温度以及管道的长短、内径等有很大的关系。由于工艺条件无法改变,因此可以通过改变管道的长度、内径、走向来改变气柱的固有频率,同时改变了管道系统的固有频率,使二者偏离激发频率。
(1)改变管道长度
管道的长度对固有频率影响很大,在空间允许的条件下可以通过改变管道长度改变固有频率,但要避免弯曲管道,还应增加高强度的管道支架。
(2)增加管道的几何连续性
激振力在管道的弯曲部位、变径部位或通过阀门等处产生,因此减少管道的弯曲可以减少激振力。如果管道走向发生改变,切忌使用弯头,要使用大曲率的弯管,同时尽量减少变径、阀门等改变管道连续性的结构。
(3)设置管道支架
设置管道支架,可有效的改变管道系统的固有频率。管道支架的刚度对固有频率影响较大,刚度越大,固有频率越大。在安装过程中务必避免管道支架与其它连接,必须独立支撑。
4.2 减缓压力脉冲
压力脉动主要由间歇性加压引起的,因此减少管道内气体的压力波动可以减缓压力脉动。压力脉动的控制比较复杂,在满足工艺对管道的要求条件下,可以在适当的位置加缓冲罐、孔板等原件来消减压力脉动。减缓压力脉动的方法有以下几种。
(1)缓冲罐
在压缩机进气口或者排气口设置缓冲罐可有效的降低压力脉动。主要原因是缓冲罐缓冲系统压力波动,消除脉动起到稳压卸荷的作用,在系统内气压轻微变化时,缓冲罐气囊会对气压的变化有一定缓冲作用,能保证系统的气压稳定。进气缓冲罐可以限制上游来的脉动压力进入压缩机;排气缓冲罐不仅可以限制压力进入管道系统,还可限制管道的压力脉动返回压缩机。
(2)孔板
受到空间和条件限制,缓冲罐无法在局里压缩机较近的位置安装时,在缓冲罐法兰出安装适当尺寸的孔板,可以达到消减脉动压力的目的。由于孔板的内径小于管道的内径,利用节流降压原理可以减少管道脉动。
孔板单独使用没有效果,必须与缓冲罐配合使用,且应安装在缓冲罐进出口的法兰处。
(3)衰减器
衰减器是一种多管装置,安装在缓冲罐内,经过缓冲罐的部分气流会从多管内通过,从而达降低压力脉动的目的。
(4)集管器
很多企业采用多台压缩机同时并联使用,这就需要利用集管器来汇合气流,不同相位的脉动气流汇合在集管器内,压力脉动可能会抵消,加大集管器的流通面积,使其大于所有进气管流通面积的三倍,可以有效的避免脉动增强。
4.3 改善流体机械及其基础的动平衡
流体机械及其基础的动平衡不佳在设备空转时就会产生强烈的振动。压缩机的动平衡性能需要在设计阶段予以解决。提高基础的动平衡性能包括增大水泥混凝土基础;增加地脚螺栓数目加大尺寸;采用双螺母防止松动。
5 本LNG工厂实际应用
本LNG工厂,采用的是四台往复式氮气压缩机,三开一备。正常生产中进气压力0.6Mpa,排气压力1.6Mpa。生产过程中压缩机出口管道振动非常强烈,甚至办公楼振感都很明显。经过分析研究该LNG工厂的振动由以下几方面原因:
(1)虽然设置有缓冲罐,但缓冲罐距压缩机太远(在车间外的液化区),无法起到消减脉动的作用;
(2)管道振动最强烈的部位管道较短,弯曲处太多,曲率较大,弯头和阀门较多;
(3)振动管道虽然做了管道支撑,但支撑太小,螺栓固定不稳定,正常生产中螺栓晃动。且管道支撑刚度不够,对管道固有频率改变太小。
针对以上的问题,本厂进行了设备改造,主要从以下几个方面进行:
(1)针对室外振动强烈的管线:将三台换热器换为一台效率更大的换热器,改变振动管的走向,大大减少了管道弯曲,增大管道弯曲的曲率半径(采用U型弯)。
(2)针对室内振动强烈的管线:管道走向未变,更换刚度较大的管架,管道与管架采用无缝焊接。
(3)由于缓冲罐连接液化系统复杂的管网,因此位置无法变动。
6 结语
管道振动是一个十分复杂而且普遍的问题,有压缩机或者大型机泵的工厂都有可能遇到或大或小的管道振动问题。已经生产的单位如果出现管道振动的问题,应予以重视,及时分析产生振动的原因,并采取相应的减振措施。处在设计阶段的单位更应将振动问题作为一个课题研究,首先从设计、设备选择、基础制作、管道走向等方面入手,避免在将来生产中产生较大的管道振动。
摘要：流体机械管道振动现象在很多行业非常普遍,管道振动剧烈会严重影响正常的安全生产,因此对该项目的研究显得格外重要。
关键词：LNG工厂,压缩机,振动,管道
参考文献
[1] 王乐勤何秋良管道系统振动分析与工程应用力学与实践1993.15(4).
[2] 姜文全杨帆压缩机管道振动消减措施研究压缩机技术2010(2).
[3] 郁永章姜培正压缩机工程手册中国石化出版社2012(1).
[4] Y518氮气压缩机使用维护说明书杭州杭氧压缩机有限公司2007.07.