1. 往復(fù)式壓縮機(jī)管系的特點(diǎn)

  往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)是吸、排氣流呈間歇性和周期性，因此不可避免的要激發(fā)進(jìn)、出口管道內(nèi)的流體呈脈動(dòng)狀態(tài)，使管內(nèi)流體參數(shù)（如壓力、速度、密度等）隨位置及時(shí)間作周期性變化。這種現(xiàn)象稱為氣流脈動(dòng)。脈動(dòng)流體沿管道輸送時(shí)，遇到彎頭、異徑管、分支管、閥門、盲板等元件將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的激振力，受該激振力作用，管系便產(chǎn)生一定的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)。壓力脈動(dòng)越大，管道振動(dòng)的振幅和動(dòng)應(yīng)力越大。強(qiáng)烈的脈動(dòng)氣流會(huì)嚴(yán)重地影響氣閥的正常開閉，減小工作效率，此外，還會(huì)引起管系的機(jī)械振動(dòng)，造成管件疲勞破壞，發(fā)生泄漏，甚至造成火災(zāi)爆炸等重大事故。因此降低氣流脈動(dòng)是往復(fù)式壓縮機(jī)配管設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一。

  管道振動(dòng)的第二個(gè)原因是共振。管道內(nèi)氣體構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，稱為氣柱。氣柱本身具有的頻率稱為氣柱固有頻率。活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率稱為激發(fā)頻率。管道及其組成件組成一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身具有的頻率稱為管系機(jī)械固有頻率。在工程上常把（0.8～1.2）f的頻率范圍作為共振區(qū)。當(dāng)氣柱固有頻率落在激發(fā)頻率的共振區(qū)內(nèi)時(shí)，發(fā)生氣柱共振，產(chǎn)生較大壓力脈動(dòng)。管系機(jī)械固有頻率落在激發(fā)頻率的共振區(qū)或氣柱固有頻率的共振區(qū)時(shí)，發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。因此配管設(shè)計(jì)必須避免發(fā)生氣柱及結(jié)構(gòu)的共振，即調(diào)整氣柱固有頻率和管系機(jī)械固有頻率。

  管道振動(dòng)第三個(gè)原因是由機(jī)組本身的振動(dòng)引起。機(jī)組本身的動(dòng)平衡性能差、安裝不對(duì)中、基礎(chǔ)及支承設(shè)計(jì)不當(dāng)均會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)，帶動(dòng)管系振動(dòng)。

  解決往復(fù)式壓縮機(jī)管系的氣流脈動(dòng)與管道振動(dòng)問題，要從設(shè)計(jì)階段著手，應(yīng)用振動(dòng)計(jì)算專用軟件進(jìn)行分析計(jì)算，將管道振動(dòng)消滅在設(shè)計(jì)階段。振動(dòng)計(jì)算包括：氣柱固有頻率與氣動(dòng)傳遞特性的計(jì)算；壓力脈動(dòng)不均勻度沿管分布及譜分析；管系結(jié)構(gòu)固有頻率、振型分析、振幅及動(dòng)應(yīng)力計(jì)算。

2. 管道振動(dòng)的機(jī)理與對(duì)策

 管道系統(tǒng)之所以發(fā)生振動(dòng)是因?yàn)楣艿老到y(tǒng)上作用有周期性的激振力。此激振力通常源于管道內(nèi)氣體壓力的脈動(dòng)（或稱波動(dòng)）。對(duì)于端點(diǎn)安裝往復(fù)式壓縮機(jī)的管系，壓力脈動(dòng)是無法避免的，我們的任務(wù)是將壓力脈動(dòng)控制在一定的范圍內(nèi)，不使其產(chǎn)生有害振動(dòng)。壓力脈動(dòng)在管道的轉(zhuǎn)彎處或在截面發(fā)生變化處形成激振力。這些力在大小、方向以及相位上各不相同，作用在管道的彎頭和變截面（如異徑接頭、閥門、三通等）處，激發(fā)管道作受迫振動(dòng)。

  壓縮機(jī)管道系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)和振動(dòng)取決于三個(gè)因素。

   ①. 壓縮機(jī)的參數(shù)：包括轉(zhuǎn)速、活塞沖程、連桿長(zhǎng)度、氣缸直徑、流量、壓力、溫度和緩沖器的容積等。

   ②. 被壓縮的介質(zhì)的物理參數(shù)：包括分子量、絕熱指數(shù)、溫度和壓力等。

   ③. 系統(tǒng)的幾何配置情況：包括各管段的長(zhǎng)度、外徑、壁厚、走向；分支管的位置；閥門的安裝位置及其重量；各輔助設(shè)備的位置、外形尺寸；各支承的設(shè)置位置和剛性等。

  當(dāng)上述三個(gè)因素確定之后，系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)和振動(dòng)情況也就相應(yīng)確定下來，由此可見，只要掌握計(jì)算氣流壓力脈動(dòng)及管道振動(dòng)規(guī)律，不難設(shè)計(jì)出使壓力脈動(dòng)和振動(dòng)均控制在安全、經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)管道系統(tǒng)。

3. 振動(dòng)分析所使用的控制標(biāo)準(zhǔn)

  往復(fù)式壓縮機(jī)管系的振動(dòng)分析應(yīng)滿足：美國(guó)石油學(xué)會(huì)API618標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于脈動(dòng)控制要求，保證壓縮機(jī)管系的氣流脈動(dòng)不超過允許值；根據(jù)美國(guó)普渡壓縮機(jī)技術(shù)協(xié)會(huì)關(guān)于機(jī)械振幅要求，保證機(jī)械振動(dòng)全振幅不超過允許值。

  美國(guó)石油學(xué)會(huì)制定的API618標(biāo)準(zhǔn)，從量上規(guī)定了對(duì)壓力脈動(dòng)和振動(dòng)控制的設(shè)計(jì)要求。

   ①. 當(dāng)壓力在0.35～20.7MPa之間時(shí)，壓力不均勻度按下式計(jì)算：

   ②. 脈動(dòng)頻率f按下式計(jì)算：

  管道因振動(dòng)而損壞的可能性主要取決于振幅和頻率，也就是取決于交變應(yīng)力的大小和循環(huán)次數(shù)。對(duì)溫度不超過370℃碳鋼和低合金鋼管道，設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度不應(yīng)超過50MPa。由壓力脈動(dòng)及其他荷載產(chǎn)生的綜合一次應(yīng)力不應(yīng)超過管道的熱態(tài)許用應(yīng)力。

③. 根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)API618的規(guī)定，緩沖器容積按下式計(jì)算：

4. 管道壓力脈動(dòng)的控制措施

  由于往復(fù)式壓縮機(jī)間歇性和周期性吸排氣，管道內(nèi)流體必然呈脈動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)行壓力脈動(dòng)分析不可能完全消除壓力的脈動(dòng)，而是將其控制在允許的范圍內(nèi)［參見式（9-6）］。

  壓力脈動(dòng)的控制措施如下。

   ①. 首先要進(jìn)行氣柱固有頻率的計(jì)算，使氣柱固有頻率（至少前三階）與活塞激發(fā)頻率錯(cuò)開，從而避開氣柱共振。影響氣柱固有頻率的因素除介質(zhì)的組分外有緩沖器的尺寸與位置、管徑的大小、管系的分支的多少與位置、各管段的長(zhǎng)度、孔板及其安裝位置、各管段的端點(diǎn)條件等。

   ②. 合理設(shè)計(jì)緩沖器并安裝在盡量靠近氣缸的位置。緩沖器是最簡(jiǎn)單而有效的消振措施。它能使緩沖器后面的管道內(nèi)的氣流變得緩和，其作用與柔性分析中的補(bǔ)償器相似。

   要達(dá)到理想的減振效果，緩沖器應(yīng)有足夠的容積［可參照式（9-8）確定］。緩沖器有兩種形式：一種是簡(jiǎn)單的無內(nèi)件的緩沖器，另一種是有內(nèi)件濾波型緩沖器。采用內(nèi)件濾波型緩沖器可以更有效地控制緩沖器后的管道內(nèi)的壓力脈動(dòng)，適當(dāng)減少緩沖器的容積，但同時(shí)會(huì)增大阻力降。緩沖器的安裝應(yīng)盡量靠近氣缸，對(duì)上進(jìn)氣下排氣的壓縮機(jī)，入口緩沖器應(yīng)布置在氣缸上方，并盡量靠近氣缸。出口緩沖器應(yīng)布置在氣缸的正下方并盡量靠近氣缸。

  ③. 合理的增設(shè)消振孔板。在容器的入口處加裝適當(dāng)尺寸的孔板，可以將該管段內(nèi)的壓力駐波變成行波，使管道尾端不再具有反射條件，從而降低了壓力不均勻度，達(dá)到減輕管道振動(dòng)的目的。加裝消振孔板同時(shí)又產(chǎn)生局部阻力損失，所以壓縮機(jī)制造廠在確定緩沖器容積時(shí)一般不應(yīng)考慮加裝孔板，但當(dāng)緩沖器容積過大無法制造安裝時(shí)，也可考慮加裝孔板，同時(shí)需對(duì)孔板的局部阻力損失進(jìn)行核算。

   消振孔板的孔徑比要經(jīng)壓力脈動(dòng)計(jì)算確定，一般孔徑比為0.43～0.5，孔板厚度為3～5mm，孔板內(nèi)徑邊緣處必須保留銳利棱角，不得倒角，否則效果要降低。孔板太厚會(huì)增大局部阻力損失，并產(chǎn)生噪聲?？装宓牟牧吓c管道相同?？装宓男问脚c法蘭的密封面相適應(yīng)。消振孔板通常安裝在緩沖器的進(jìn)出口管口處。

  ④. 設(shè)置集管器。并機(jī)運(yùn)行的管道在匯合處脈動(dòng)量會(huì)相互疊加，疊加的結(jié)果，有時(shí)相互抵消，有時(shí)相互加強(qiáng)，這就要看投入運(yùn)行的壓縮機(jī)的曲柄錯(cuò)角，如果相位一致則加強(qiáng)，相位相反則減弱。為避免在多機(jī)匯合處產(chǎn)生過大脈動(dòng)值，在匯合處設(shè)置集管器，其尺寸太小不影響緩沖作用。集管器的設(shè)計(jì)原則是：集管器的通流面積，應(yīng)大于所有進(jìn)氣管通流面積總和的3倍。

  ⑤. 控制管系各管段的壓力脈動(dòng)值，使其不超過式（9-6）的計(jì)算值。當(dāng)主管道上的壓力不均勻度超標(biāo)時(shí)，首先核算緩沖器容積，緩沖器容積不夠時(shí)，加大緩沖器容積，如果緩沖器已制造完畢或緩沖器太大難以制造時(shí)，采取加裝消振孔板方法。當(dāng)分支管（如跨線、放空線等）脈動(dòng)值超標(biāo)時(shí)，可適當(dāng)加大該管管徑或在該分支的適當(dāng)位置加裝孔板。如果該分支的末端為盲板或關(guān)閉的閥門，應(yīng)考慮改變?cè)摴芏蔚拈L(zhǎng)度。

  在整個(gè)管系脈動(dòng)值都控制在允許的范圍內(nèi)后，再進(jìn)行管系結(jié)構(gòu)振動(dòng)的計(jì)算，將機(jī)械振動(dòng)的振幅和動(dòng)應(yīng)力控制在允許的范圍內(nèi)。

5. 管道振動(dòng)的控制措施

  ①. 進(jìn)行管系的機(jī)械固有頻率計(jì)算，使機(jī)械固有頻率（至少前三階）與活塞激發(fā)頻率錯(cuò)開并與氣柱固有頻率（至少前三階）錯(cuò)開。通常對(duì)于中、低壓管道(p≤8MPa)，管道機(jī)械固有頻率不低于24Hz；對(duì)高壓管道（p>8MPa)，管道機(jī)械固有頻率不低于28Hz。

  ②. 在管道柔性分析滿足的前提下，應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)彎，因?yàn)檫^多的轉(zhuǎn)彎會(huì)減小管系的剛度，使管系的機(jī)械固有頻率降低，并且在彎頭處產(chǎn)生激振力，從而發(fā)生振動(dòng)。

  ③. 支架應(yīng)采取防振管卡，而不能只為承重或止推。因?yàn)榉勒窆芸梢约s束X、Y、Z三個(gè)方向的線位移，對(duì)直徑較小的管子甚至可以約束RX、RY、RZ三個(gè)角位移，而承重或止推架卻只能約束一個(gè)方向的線位移。為保證管道與管卡充分接觸，在管卡與管道之間墊石棉橡膠板。

  ④. 支架的間距應(yīng)滿足最小頻率的要求。

  ⑤. 管道應(yīng)盡量沿地面敷設(shè)，便于設(shè)置支架，管道過高則支架難以生根，同時(shí)支架的剛度很難保證。支架的剛度可參照表9-15。

 對(duì)于較高的支架宜采用框架結(jié)構(gòu)，單根立柱剛度較小。

  ⑥. 為防止機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡力引起管系振動(dòng)，進(jìn)出口緩沖器要有牢固的支承，靠近壓縮機(jī)的管段的支架應(yīng)重點(diǎn)考慮。

  ⑦. 在閥門等集中質(zhì)量處應(yīng)加支架，因?yàn)榧匈|(zhì)量處振動(dòng)頻率低。

6. 氣體的壓力脈動(dòng)

  往復(fù)壓縮機(jī)的活塞在氣缸中進(jìn)行周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起吸排氣呈間歇性和周期性，管內(nèi)氣體壓力不但隨位置變化，而且隨時(shí)間作周期性變化，這種現(xiàn)象稱為氣體壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)的大小通常用壓力不均勻度來衡量。壓力不均勻度的表達(dá)式如下：