現場檢查發現，某循環氫壓縮機入口管線(xian)(xian)從入口分(fen)液罐到催(cui)化劑分(fen)離器間管線(xian)(xian)及分(fen)離器出(chu)口段架空管線(xian)(xian)振動(dong)較大，且(qie)帶動(dong)與(yu)其(qi)相連的設備(bei)和(he)立柱一起振動(dong)。為解決此振動(dong)問題，需進(jin)行(xing)管道系統氣(qi)流脈動(dong)和(he)機械振動(dong)控制的計算與(yu)研究(jiu)，以(yi)達到安全運(yun)行(xing)的目的。
1. 氣柱固(gu)有頻率分析(xi)
往復式壓縮機的管流速一般(ban)都比(bi)較低（(4~20m/s)，與氣(qi)體(ti)的聲速相比(bi)（空氣(qi)常溫下為(wei)340m／s）可以(yi)略去不計，把管內(nei)所含有的氣(qi)體(ti)視作靜(jing)止的，稱為(wei)氣(qi)柱，氣(qi)流脈動共(gong)振(zhen)(zhen)現象發生在激發頻率(lv)與氣(qi)柱固有頻率(lv)相重(zhong)合(he)的時候，所以(yi)，欲(yu)避開氣(qi)流脈動共(gong)振(zhen)(zhen)，需(xu)確定管系氣(qi)柱固有頻率(lv)。
管系(xi)氣(qi)(qi)柱(zhu)(zhu)(zhu)是多(duo)自由度的(de)振(zhen)動系(xi)統(tong)，它有(you)(you)(you)許(xu)多(duo)階(jie)固有(you)(you)(you)頻(pin)率。氣(qi)(qi)柱(zhu)(zhu)(zhu)固有(you)(you)(you)頻(pin)率取(qu)決于系(xi)統(tong)內(nei)(nei)的(de)介(jie)質參數以(yi)及管系(xi)尺寸、器件(jian)和管系(xi)的(de)幾何(he)配置。在(zai)壓縮機端(duan)，氣(qi)(qi)柱(zhu)(zhu)(zhu)受到(dao)持久的(de)周(zhou)期(qi)性激(ji)(ji)發作用。激(ji)(ji)發頻(pin)率也存在(zai)著若干階(jie)，這些階(jie)的(de)激(ji)(ji)發頻(pin)率若有(you)(you)(you)一(yi)個(ge)與(yu)氣(qi)(qi)柱(zhu)(zhu)(zhu)固有(you)(you)(you)頻(pin)率重合，就會引起氣(qi)(qi)柱(zhu)(zhu)(zhu)共振(zhen)。此(ci)時管流脈動激(ji)(ji)烈。做到(dao)任(ren)何(he)一(yi)階(jie)都(dou)不(bu)重合常常會遇到(dao)很大(da)(da)困難，通常要(yao)求避開一(yi)階(jie)、二階(jie)或(huo)更高一(yi)階(jie)固有(you)(you)(you)頻(pin)率的(de)共振(zhen)，以(yi)便把脈動控(kong)制在(zai)允許(xu)的(de)范(fan)圍(wei)內(nei)(nei)。工程上規定，激(ji)(ji)發頻(pin)率與(yu)氣(qi)(qi)柱(zhu)(zhu)(zhu)固有(you)(you)(you)頻(pin)率的(de)比(bi)值，若在(zai)0.8～1.2范(fan)圍(wei)內(nei)(nei)，脈動都(dou)是大(da)(da)的(de)，稱(cheng)此(ci)范(fan)圍(wei)為(wei)共振(zhen)區。
轉速為(wei)333r／min，激(ji)發主頻率的(de)共振(zhen)區(qu)為(wei)8.88～13.32Hz，要求氣柱固有(you)頻率的(de)前(qian)三(san)階應避開(kai)激(ji)發主頻率的(de)共振(zhen)區(qu)。
計(ji)算結果(guo)表(biao)明（過程略）：前三(san)(san)階(jie)氣柱(zhu)固有頻率(lv)分別(bie)為(wei)2.89Hz、10.48Hz、13.28Hz，第二(er)、三(san)(san)階(jie)頻率(lv)落在激發主頻率(lv)的共振(zhen)區。要想避(bi)開，必須采(cai)取修(xiu)改管道走向或(huo)加(jia)緩(huan)沖(chong)器、孔板等措施。緩(huan)沖(chong)器容積加(jia)大到0.69m3時(shi)，前三(san)(san)階(jie)氣柱(zhu)固有頻率(lv)分別(bie)為(wei)2.16Hz、7.5Hz、8.7Hz，都避(bi)開了主頻率(lv)的共振(zhen)區。
2. 氣流脈動分析
過大(da)的(de)氣(qi)流脈動會引起管道的(de)機械振動。消減氣(qi)流脈動的(de)方法是(shi)比較(jiao)多的(de)，可以(yi)根據實(shi)際情(qing)況，按API618標準衡量原管系(xi)的(de)壓力脈動值是(shi)否在允許范圍內，并(bing)采取相應措施。
改變緩沖(chong)器的容(rong)(rong)積是最(zui)簡單有(you)效的消振措施，但(dan)容(rong)(rong)積大小要(yao)合標(biao)準，安(an)裝(zhuang)位(wei)置(zhi)要(yao)足(zu)夠靠(kao)近(jin)氣缸，才能使后(hou)繼管(guan)線氣流足(zu)夠平(ping)穩，達到API618標(biao)準。如果增(zeng)設孔板(ban)，則孔板(ban)計(ji)算(suan)要(yao)精確，安(an)裝(zhuang)位(wei)置(zhi)要(yao)恰當，還應計(ji)算(suan)孔板(ban)阻力損(sun)失，使損(sun)失在允許范(fan)圍內。如果條件(jian)允許，采(cai)取適(shi)當改變管(guan)徑、增(zeng)加(jia)支(zhi)管(guan)等措施也是行之(zhi)有(you)效的。
入口管系壓力脈動不(bu)均(jun)勻度計算值最大點(dian)與(yu)API標準允許值的比較(jiao)見(jian)表9-18。
計算結果表明：二階主頻下壓力脈動值超過API標準，主要是由于入口緩沖器的容積較小，為0.196m3，而設計計算值為0.69m3。如果修改管系后仍有振動時應加大緩沖器的容積。緩沖器的容積為0.69m3壓力脈動不均勻度計算結果見表9-19。
計算結果表明：壓力(li)脈動(dong)值(zhi)均符合API標(biao)準。
3．機械振動分(fen)析
氣(qi)流(liu)脈(mo)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)壓力(li)(li)波動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)與壓縮機(ji)運行時的(de)(de)作用力(li)(li)和(he)慣性力(li)(li)都影響(xiang)著(zhu)管(guan)(guan)道(dao)(dao)(dao)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)，同時管(guan)(guan)道(dao)(dao)(dao)的(de)(de)布置和(he)支承情況(kuang)也(ye)(ye)直接影響(xiang)著(zhu)管(guan)(guan)道(dao)(dao)(dao)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)，在(zai)(zai)脈(mo)動(dong)(dong)(dong)控制研究中(zhong)顯然(ran)已把脈(mo)動(dong)(dong)(dong)值控制在(zai)(zai)允許范圍(wei)內，但如果管(guan)(guan)道(dao)(dao)(dao)的(de)(de)走向(xiang)不(bu)當(dang)、支承間(jian)距不(bu)當(dang)或支承設計不(bu)合理(li)，即使氣(qi)流(liu)脈(mo)動(dong)(dong)(dong)不(bu)大，也(ye)(ye)同樣會引起(qi)危險的(de)(de)管(guan)(guan)道(dao)(dao)(dao)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)。
機械系統有(you)其本身的固有(you)頻(pin)率(lv)，當(dang)這(zhe)些頻(pin)率(lv)的某一(yi)階或幾階與(yu)激發頻(pin)率(lv)接(jie)近時(shi)，會(hui)發生機械共振(zhen)現(xian)象，此(ci)時(shi)，管道振(zhen)動(dong)較大(da)。
另外，還(huan)應注意氣柱系統固有頻率(lv)與機械(xie)系統固有頻率(lv)是否重疊的(de)問題，研(yan)究工作的(de)任務是使兩者(zhe)與激發頻率(lv)在前幾階不重合。
從管道振動的(de)觀點看，對管系施加恰當的(de)約束可以調整其機(ji)械固(gu)有(you)(you)(you)頻(pin)率，使機(ji)械固(gu)有(you)(you)(you)頻(pin)率與激振力(li)頻(pin)率不重合，支(zhi)承(cheng)(cheng)要(yao)有(you)(you)(you)足(zu)夠的(de)剛(gang)性以便(bian)控制殘留的(de)激振力(li)所引(yin)起的(de)振動。較低(di)頻(pin)率的(de)振動模態(tai)是由管道的(de)橫向振動組成(cheng)的(de)，故在支(zhi)承(cheng)(cheng)有(you)(you)(you)足(zu)夠剛(gang)度的(de)基礎上。在管道的(de)徑向不應有(you)(you)(you)任(ren)何間隙，但應允(yun)許管道在軸(zhou)向有(you)(you)(you)位移(yi)的(de)可能(neng)。
在(zai)(zai)(zai)管(guan)道的布(bu)置上(shang)(shang)(shang)，有集中(zhong)質量（閥、法蘭）等(deng)的部位應注意適當支(zhi)承。另外(wai)在(zai)(zai)(zai)彎頭、異徑(jing)(jing)管(guan)等(deng)存在(zai)(zai)(zai)激振力(li)的部位，約(yue)束(shu)應盡量靠近這些地方，即使對(dui)于直徑(jing)(jing)較小的管(guan)道也(ye)有避免長(chang)距離無支(zhi)承或(huo)懸吊(diao)的情況(kuang)。在(zai)(zai)(zai)管(guan)道緩沖(chong)器上(shang)(shang)(shang)的閥或(huo)儀(yi)表等(deng)，也(ye)應將其支(zhi)承在(zai)(zai)(zai)母管(guan)或(huo)容器上(shang)(shang)(shang)，目的是為了防止這些元件(jian)一(yi)起振動時，形成不(bu)同(tong)的振動而導致破(po)壞應力(li)產生。避免將分支(zhi)上(shang)(shang)(shang)的閥或(huo)儀(yi)表等(deng)支(zhi)承在(zai)(zai)(zai)振動物體上(shang)(shang)(shang)，因為兩者(zhe)振動不(bu)同(tong)會產生附加動應力(li)。
管(guan)道跨距對(dui)于不(bu)同的(de)管(guan)道配置是不(bu)同的(de)，以保證每(mei)一管(guan)道在結(jie)構上具有合適(shi)的(de)局(ju)部固(gu)有頻率。為了增加管(guan)卡(ka)的(de)阻尼，可使用少(shao)許可以壓(ya)縮(suo)的(de)襯墊材料，如石棉橡(xiang)膠等材料，確保管(guan)卡(ka)與(yu)管(guan)道充分接觸，在管(guan)的(de)徑向沒有任(ren)何間隙。
根據壓(ya)縮機的(de)(de)轉(zhuan)速，計(ji)算的(de)(de)激發主頻(pin)（二階(jie)）為11.1Hz，共振區(qu)的(de)(de)頻(pin)率范圍(wei)（0.8～1.2）f為8.88～13.32Hz。設計(ji)的(de)(de)原則應使壓(ya)縮機的(de)(de)進出口管系的(de)(de)結構固有頻(pin)率至少前三階(jie)避開激發頻(pin)率共振區(qu)的(de)(de)頻(pin)率范圍(wei)。
下列(lie)數據是(shi)對壓縮機(ji)入口管(guan)系的前十階(jie)(jie)固(gu)有頻(pin)(pin)(pin)率的計算(suan)結果：7.48Hz、16.05Hz、20.14Hz、25.87Hz、26.75Hz、26.87Hz、29.14Hz、29.30Hz、32.13Hz、32.17Hz。通(tong)過觀(guan)察管(guan)系的各階(jie)(jie)振動(dong)模態可(ke)知，在7.48Hz、16.05Hz下的振動(dong)模態為架空管(guan)線振動(dong)，與現場觀(guan)察的振動(dong)情況相同(tong)，而此幾階(jie)(jie)頻(pin)(pin)(pin)率正好落在前三(san)階(jie)(jie)激振頻(pin)(pin)(pin)率的共振區內，故應對管(guan)系的結構進行修改。
上述分(fen)離器出口架空管線(xian)振動的(de)主要原(yuan)因是用來支承的(de)立(li)柱的(de)剛度(du)較(jiao)低，由(you)于管線(xian)較(jiao)高(gao)（EL＋7000），立(li)柱的(de)剛度(du)設計(ji)很(hen)難滿足(zu)要求。故必須(xu)將(jiang)此架空管線(xian)修改為沿地面敷設，在(zai)地面設管墩支承。
修改(gai)后的管系固有(you)頻率計算(suan)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(kai)了激振主頻的共振頻率區。
4. 推薦(jian)方案要(yao)點
通過上述分析可知，循環氫壓縮機入口管線產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，標高從6000mm降到500mm左右，豎直管線在適當處增設支架；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）。
