氢气作为一种公认的清洁能源和重要的化工原料，在各个行业均有广泛应用。氢能在应用时，一般需要在较高的压力下进行，因此氢气压缩机对于氢能的使用具有不可替代的作用。往复式压缩机在各种压缩机中密封性能较好、热效率较高，且能提供最高的压缩比，因此在石化行业被大量使用，其正常、高效运行至关重要^[1]。管道系统是氢气压缩机成套装备中重要的组成部分，管道的振动直接影响压缩机装备的正常、安全运行，尤其是对于氢气这种易燃易爆的工艺介质，严重的管道振动会带来极大的事故风险^[2]。据统计， 20世纪末全世界范围内石化工业事故中31％的事故是由管道系统故障造成的，带来了巨大的经济损失^[3]。因此，对氢气压缩机进行管道振动分析，减轻其振动具有重要意义。

国外对于往复式压缩机管路气流脉动以及管路振动的研究较早，在20世纪50年代，美国开展了管路气流脉动的相关研究，提出了平面波动理论。Maclaren等^[4]综合考虑了管道系统与外界热交换的影响，建立了更加完善的特征方程组，适用于计算一维非定常流动，更加接近管道内实际的流动情况。Wiggert等^[5]在不考虑重力、压力及阻尼等外载荷影响的情况下，将等直长管道视为梁单元，得到了管道振动方程。文献[6]给出了组合管道的气柱固有频率的计算方法，但该计算方法仅对若干简单管道组合有效，与实际情况相差较远，并不能用于解决工程实际问题。中国对于往复式压缩机的管道振动研究较早的是西安交通大学，其振动科研小组于1976年总结了两种计算复杂管道系统内气流脉动的方法，根据计算结果，决定在某氮氢压缩机和某空压机上通过使用孔板来实现管道的减振^[7]。徐稼轩等^[8]构建了专用程序，应用有限单元法，为压缩机管系组成部分建立了正确的力学模型进行振动计算，并应用该程序设计了某化肥厂的压缩机管系，效果良好。鲁录义等^[9]提出了一种管道气流脉动-机械振动一体化模型，通过ANSYS多物理场实现了压缩机管道气流脉动与机械振动的高度耦合。徐斌等^[10-11]研究指出，以大容器为分段点，将复杂管路分成简单管路进行气流脉动计算，其准确性可以满足工业要求。韩文龙等^[12]研究了两台往复式压缩机并联运行时管道系统中关键位置的气流脉动，应用CFD方法分析了湍流和层流模型下管路系统的气流脉动，对比得出湍流模型计算管路气流脉动的准确性较之层流模型更高的结论。翟延科等^[13]运用ANSYS软件对出口处管道剧烈振动的某往复式压缩机管道模型进行模态分析，得到其前5阶固有频率和振型，并提出了相应的管路振动治理方案。江志农等^[14]提出应用LMS Test.lab与Bentley AutoPIPE相结合对往复式压缩机管道系统进行振动测试的新方法，可以提取压缩机管道系统的固有频率、振型等模态测试结果。袁伟^[15]对往复式压缩机管道振动特性、减振技术进行了全方面的研究，搭建了往复式压缩机管道振动实验系统，对一段实验管路采用ANSYS软件进行数值模拟研究，并对某石化炼油企业压缩机系统的振动治理案例进行了详细说明。目前，对于管路振动的研究已较为全面，但大部分对于压缩机振动的研究缺少系统的流程方法，且大多通过商业软件进行仿真分析，缺少现场的实际测试。在此，针对变工况氢气压缩机一级进气管路振动剧烈的现象，结合现场测试，提出了一套完整的管路振动分析流程，并制定了有效的治理方案。

往复式压缩机管路振动的主要原因集中于两个方面，即管道内气流脉动和管道机械共振。气流脉动是由往复式压缩机间歇性吸排气造成的，是往复式压缩机的一个固有特性。脉动气流在经过阀门、弯头、异径管、三通等管道元件时，其流速和压力变化会产生激振力，从而引起管道振动，尤其是在发生气柱共振时，管道内产生的压力波动最为剧烈，引起的管道振动也最为剧烈^[16]。孔板、缓冲罐、亥姆霍兹共鸣器等元件均可用来衰减管道内的气流脉动^[17]；同时，当管道的某阶固有频率与压缩机的某阶激发频率相等或接近时，也会使管道发生机械共振^[18]。按照一般规律，管道的固有频率越低，发生机械共振的可能性越大，根据API-618-2007《石油化工和天然气工业用往复式压缩机》规定，往复式压缩机管路系统元件的最小机械固有频率应大于压缩机最大额定转速的2.4倍。对于发生机械共振的管路，可以通过改变管路的走向、添加支撑或改变支撑位置的方式来改变管路的固有频率，从而达到防止机械共振的效果^[19]。此外，管道振动还可能由外力及压缩机主机振动引起^[20]。

氢气压缩机属于往复式压缩机，其吸排气具有间歇性，相比于其他形式的压缩机会有较大的管道内气流脉动，可因此引起管路振动；同时，氢气与同温度、压力下其他常见工质相比声速高、密度极小，导致氢气压缩机管路内气柱固有频率、气流脉动与其他工质的往复式压缩机不同，造成其管道设计、布置与其他工质往复式压缩机不同。管路振动易导致管道破裂，由于氢气易燃易爆的特性，一旦发生泄漏将会造成严重事故。因此，需要对氢气压缩机管路的振动原因进行分析。

以某石化工厂的氢气压缩机为例，其安装在工作环境较好的压缩机厂房，且经过现场监测，压缩机主机振动较小，在可接受范围内，因此，排除由外力及压缩机主机振动引起的管路振动。在此，通过现场测试及仿真研究，从气流脉动和管道机械共振两个方面进行氢气压缩机管路振动原因分析，探究氢气压缩机一级进气管路振动剧烈的原因。

由于共振导致管路振动，可以通过改变管道固有频率来减小振动。对于管道的约束越多，其各阶固有频率越大，因此，可以通过增加管夹来改变管道的固有频率。管路振动大的位置处于靠近缓冲罐的两个弯头处，考虑到缓冲罐轴向管道部分已有一个管夹，且倾斜的管道部分不便加装管夹，故考虑将新增的管夹安装在竖直管道靠近上方弯头部位（图 11）。由于现场缓冲罐位于二楼，故将管夹的支架设置在二楼的框架上，支架高度为1 700 mm，仅在图中标注出新增管夹及支架，原有管夹及支架不再标注。支架的结构采用H型钢的形式，新增管夹主要限制y方向的振动，因此支架竖直部分H型钢的腹板与y轴平行。经过数值模拟可知，添加支架后一级进气管路前两阶固有频率分别变为16.10 Hz、32.383 Hz，刚好可以避开压缩机激振频率的倍频，从而避免共振。现场按照该治理方案实施后，测试得到一级进气管路的振动值完全降至可接受的范围内。

图 11 某氢气压缩机一级进气管路新增支架位置示意图（mm） Fig. 11 Position of new supports of primary gas intake pipeline of a hydrogen compressor (mm)

针对某一级进气管路振动剧烈的氢气压缩机进行了气流脉动及管路振动分析，提出了一套完整的管路振动原因及治理的分析方法：首先，对其一级进气管路进行气流脉动分析，通过现场测试以及仿真分析进行相互验证，证明了管道内气流脉动符合API-618-2007标准限定值，即管路振动并非是由气流脉动造成的；然后，进行振动特性分析，对其一级进气管路进行模态测试以及动态振动测试，通过数据分析可以发现压缩机激发频率的3倍频刚好处在管路的2阶固有频率共振区域内，因此判断管路振动过大的原因是发生了机械共振；最后，根据模态测试的结果建立三维仿真模型，并在此基础上提出振动治理方案，将管道的固有频率避开压缩机的激振频率，从而避免管道机械共振。现场实施后减振效果显著，验证了该方法的可行性。

对于非共振原因的管路振动，仍需进一步对管道进行强迫振动响应分析，找到其振动原因。此外，可以优化气流脉动分析模型，如将气缸工作过程以及气阀运动影响考虑在内，从而得到更精确的气流脉动计算结果。