現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，某循環(huán)氫壓縮機入口管線從入口分液罐到催化劑分離器間管線及分離器出口段架空管線振動較大，且?guī)优c其相連的設(shè)備和立柱一起振動。為解決此振動問題，需進行管道系統(tǒng)氣流脈動和機械振動控制的計算與研究，以達到安全運行的目的。
1. 氣柱固有頻率分析
往復(fù)式壓縮機的管流速一般都比較低（(4~20m/s)，與氣體的聲速相比（空氣常溫下為340m／s）可以略去不計，把管內(nèi)所含有的氣體視作靜止的，稱為氣柱，氣流脈動共振現(xiàn)象發(fā)生在激發(fā)頻率與氣柱固有頻率相重合的時候，所以，欲避開氣流脈動共振，需確定管系氣柱固有頻率。
管系氣柱是多自由度的振動系統(tǒng)，它有許多階固有頻率。氣柱固有頻率取決于系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)參數(shù)以及管系尺寸、器件和管系的幾何配置。在壓縮機端，氣柱受到持久的周期性激發(fā)作用。激發(fā)頻率也存在著若干階，這些階的激發(fā)頻率若有一個與氣柱固有頻率重合，就會引起氣柱共振。此時管流脈動激烈。做到任何一階都不重合常常會遇到很大困難，通常要求避開一階、二階或更高一階固有頻率的共振，以便把脈動控制在允許的范圍內(nèi)。工程上規(guī)定，激發(fā)頻率與氣柱固有頻率的比值，若在0.8～1.2范圍內(nèi)，脈動都是大的，稱此范圍為共振區(qū)。
轉(zhuǎn)速為333r／min，激發(fā)主頻率的共振區(qū)為8.88～13.32Hz，要求氣柱固有頻率的前三階應(yīng)避開激發(fā)主頻率的共振區(qū)。
計算結(jié)果表明（過程略）：前三階氣柱固有頻率分別為2.89Hz、10.48Hz、13.28Hz，第二、三階頻率落在激發(fā)主頻率的共振區(qū)。要想避開，必須采取修改管道走向或加緩沖器、孔板等措施。緩沖器容積加大到0.69m3時，前三階氣柱固有頻率分別為2.16Hz、7.5Hz、8.7Hz，都避開了主頻率的共振區(qū)。
2. 氣流脈動分析
過大的氣流脈動會引起管道的機械振動。消減氣流脈動的方法是比較多的，可以根據(jù)實際情況，按API618標(biāo)準(zhǔn)衡量原管系的壓力脈動值是否在允許范圍內(nèi)，并采取相應(yīng)措施。
改變緩沖器的容積是最簡單有效的消振措施，但容積大小要合標(biāo)準(zhǔn)，安裝位置要足夠靠近氣缸，才能使后繼管線氣流足夠平穩(wěn)，達到API618標(biāo)準(zhǔn)。如果增設(shè)孔板，則孔板計算要精確，安裝位置要恰當(dāng)，還應(yīng)計算孔板阻力損失，使損失在允許范圍內(nèi)。如果條件允許，采取適當(dāng)改變管徑、增加支管等措施也是行之有效的。
入口管系壓力脈動不均勻度計算值最大點與API標(biāo)準(zhǔn)允許值的比較見表9-18。
計算結(jié)果表明：二階主頻下壓力脈動值超過API標(biāo)準(zhǔn)，主要是由于入口緩沖器的容積較小，為0.196m3，而設(shè)計計算值為0.69m3。如果修改管系后仍有振動時應(yīng)加大緩沖器的容積。緩沖器的容積為0.69m3壓力脈動不均勻度計算結(jié)果見表9-19。
計算結(jié)果表明：壓力脈動值均符合API標(biāo)準(zhǔn)。
3．機械振動分析
氣流脈動的壓力波動力與壓縮機運行時的作用力和慣性力都影響著管道振動，同時管道的布置和支承情況也直接影響著管道振動，在脈動控制研究中顯然已把脈動值控制在允許范圍內(nèi)，但如果管道的走向不當(dāng)、支承間距不當(dāng)或支承設(shè)計不合理，即使氣流脈動不大，也同樣會引起危險的管道振動。
機械系統(tǒng)有其本身的固有頻率，當(dāng)這些頻率的某一階或幾階與激發(fā)頻率接近時，會發(fā)生機械共振現(xiàn)象，此時，管道振動較大。
另外，還應(yīng)注意氣柱系統(tǒng)固有頻率與機械系統(tǒng)固有頻率是否重疊的問題，研究工作的任務(wù)是使兩者與激發(fā)頻率在前幾階不重合。
從管道振動的觀點看，對管系施加恰當(dāng)?shù)募s束可以調(diào)整其機械固有頻率，使機械固有頻率與激振力頻率不重合，支承要有足夠的剛性以便控制殘留的激振力所引起的振動。較低頻率的振動模態(tài)是由管道的橫向振動組成的，故在支承有足夠剛度的基礎(chǔ)上。在管道的徑向不應(yīng)有任何間隙，但應(yīng)允許管道在軸向有位移的可能。
在管道的布置上，有集中質(zhì)量（閥、法蘭）等的部位應(yīng)注意適當(dāng)支承。另外在彎頭、異徑管等存在激振力的部位，約束應(yīng)盡量靠近這些地方，即使對于直徑較小的管道也有避免長距離無支承或懸吊的情況。在管道緩沖器上的閥或儀表等，也應(yīng)將其支承在母管或容器上，目的是為了防止這些元件一起振動時，形成不同的振動而導(dǎo)致破壞應(yīng)力產(chǎn)生。避免將分支上的閥或儀表等支承在振動物體上，因為兩者振動不同會產(chǎn)生附加動應(yīng)力。
管道跨距對于不同的管道配置是不同的，以保證每一管道在結(jié)構(gòu)上具有合適的局部固有頻率。為了增加管卡的阻尼，可使用少許可以壓縮的襯墊材料，如石棉橡膠等材料，確保管卡與管道充分接觸，在管的徑向沒有任何間隙。
根據(jù)壓縮機的轉(zhuǎn)速，計算的激發(fā)主頻（二階）為11.1Hz，共振區(qū)的頻率范圍（0.8～1.2）f為8.88～13.32Hz。設(shè)計的原則應(yīng)使壓縮機的進出口管系的結(jié)構(gòu)固有頻率至少前三階避開激發(fā)頻率共振區(qū)的頻率范圍。
下列數(shù)據(jù)是對壓縮機入口管系的前十階固有頻率的計算結(jié)果：7.48Hz、16.05Hz、20.14Hz、25.87Hz、26.75Hz、26.87Hz、29.14Hz、29.30Hz、32.13Hz、32.17Hz。通過觀察管系的各階振動模態(tài)可知，在7.48Hz、16.05Hz下的振動模態(tài)為架空管線振動，與現(xiàn)場觀察的振動情況相同，而此幾階頻率正好落在前三階激振頻率的共振區(qū)內(nèi)，故應(yīng)對管系的結(jié)構(gòu)進行修改。
上述分離器出口架空管線振動的主要原因是用來支承的立柱的剛度較低，由于管線較高（EL＋7000），立柱的剛度設(shè)計很難滿足要求。故必須將此架空管線修改為沿地面敷設(shè)，在地面設(shè)管墩支承。
修改后的管系固有頻率計算如下：20.08Hz、24.95Hz、25.49Hz、26.24Hz、26.88Hz、29.30Hz、32.15Hz、32.17Hz、32.18Hz、32.23Hz。
前幾階頻率都完全避開了激振主頻的共振頻率區(qū)。
4. 推薦方案要點
通過上述分析可知，循環(huán)氫壓縮機入口管線產(chǎn)生振動的主要原因有：用來支承立柱的剛度太小，無法滿足防振的設(shè)計要求；入口緩沖器的容積較小，抑制氣體壓力脈動效果差。針對上述情況需進行如下修改：將分液罐出口架空管線改為沿地敷設(shè)，標(biāo)高從6000mm降到500mm左右，豎直管線在適當(dāng)處增設(shè)支架；將入口緩沖器的容積加大至0.69m3（原來為0.196m3，出口緩沖器容積是0.196m3）。
