現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，某循環(huán)氫壓縮機(jī)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(dòng)較大，且?guī)?dòng)與其相連的設(shè)備和立柱一起振動(dòng)。為解決此振動(dòng)問題，需進(jìn)行管道系統(tǒng)氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)控制的計(jì)算與研究，以達(dá)到安全運(yùn)行的目的。
1. 氣柱固有頻率分析
往復(fù)式壓縮機(jī)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(jì)，把管內(nèi)所含有的氣體視作靜止的，稱為氣柱，氣流脈動(dòng)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(shí)候，所以，欲避開氣流脈動(dòng)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(dòng)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(jī)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(gè)與氣柱固有頻率重合，就會(huì)引起氣柱共振。此時(shí)管流脈動(dòng)激烈。做到任何一階都不重合常常會(huì)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(shí)，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(dòng)分析
過大的氣流脈動(dòng)會(huì)引起管道的機(jī)械振動(dòng)。消減氣流脈動(dòng)的方法是比較多的，可以根據(jù)實(shí)際情況，按API618標(biāo)準(zhǔn)衡量原管系的壓力脈動(dòng)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(jiǎn)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(dá)到API618標(biāo)準(zhǔn)。如果增設(shè)孔板，則孔板計(jì)算要精確，安裝位置要恰當(dāng)，還應(yīng)計(jì)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(dòng)不均勻度計(jì)算值最大點(diǎn)與API標(biāo)準(zhǔn)允許值的比較見表9-18。
計(jì)算結(jié)果表明：二階主頻下壓力脈動(dòng)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(jì)計(jì)算值為0.69m3。如果修改管系后仍有振動(dòng)時(shí)應(yīng)加大緩沖器的容積。緩沖器的容積為0.69m3壓力脈動(dòng)不均勻度計(jì)算結(jié)果見表9-19。
計(jì)算結(jié)果表明：壓力脈動(dòng)值均符合API標(biāo)準(zhǔn)。
3．機(jī)械振動(dòng)分析
氣流脈動(dòng)的壓力波動(dòng)力與壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的作用力和慣性力都影響著管道振動(dòng)，同時(shí)管道的布置和支承情況也直接影響著管道振動(dòng)，在脈動(dòng)控制研究中顯然已把脈動(dòng)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(jì)不合理，即使氣流脈動(dòng)不大，也同樣會(huì)引起危險(xiǎn)的管道振動(dòng)。
機(jī)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(shí)，會(huì)發(fā)生機(jī)械共振現(xiàn)象，此時(shí)，管道振動(dòng)較大。
另外，還應(yīng)注意氣柱系統(tǒng)固有頻率與機(jī)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(dòng)的觀點(diǎn)看，對(duì)管系施加恰當(dāng)?shù)募s束可以調(diào)整其機(jī)械固有頻率，使機(jī)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(dòng)。較低頻率的振動(dòng)模態(tài)是由管道的橫向振動(dòng)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(duì)于直徑較小的管道也有避免長(zhǎng)距離無(wú)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(dòng)時(shí)，形成不同的振動(dòng)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(dòng)物體上，因?yàn)閮烧哒駝?dòng)不同會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)應(yīng)力。
管道跨距對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)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(jì)的原則應(yīng)使壓縮機(jī)的進(jìn)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(duì)壓縮機(jī)入口管系的前十階固有頻率的計(jì)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(dòng)模態(tài)可知，在7.48Hz、16.05Hz下的振動(dòng)模態(tài)為架空管線振動(dòng)，與現(xiàn)場(chǎng)觀察的振動(dòng)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(duì)管系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。
上述分離器出口架空管線振動(dòng)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(jì)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(jì)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(diǎn)
通過上述分析可知，循環(huán)氫壓縮機(jī)入口管線產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因有：用來支承立柱的剛度太小，無(wú)法滿足防振的設(shè)計(jì)要求；入口緩沖器的容積較小，抑制氣體壓力脈動(dòng)效果差。針對(duì)上述情況需進(jìn)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）。
