往復式壓縮機管道設計

楊兆祥

(中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510000)

壓縮機作為石油化工裝置的核心設備，若管線的布置與規劃不合理，會引起振動問題，振動可能產生在壓縮機的不同部位，有害振動經常出現在氣缸，緩沖器，氣油分離器，管道，支架和基座等部位以及液面監視窗，浮標和溫度儀等小口徑分支，很容易出現斷裂，甚至造成氣體泄漏，有害振動會對壓縮機及其他部件造成過高應力，因而導致疲勞破壞，如管道，管口和油氣分離器破裂；管道夾具和螺栓破損；曲軸斷裂；壓縮機站失火等。損壞的部件因部位的不同，會導致少則數天多則數月的非計劃停產，更換主軸或緩沖器等重要部件常需數個星期，與之相關的維修費用及停產損失會使用戶蒙受巨大損失，有些時候，一個小小的振動會引起連鎖反應，忽視振動問題，可能會導致巨大的安全隱患，以及同樣巨大的經濟損失。

本文結合某廠210萬t/a加氫處理裝置中所用的新氫壓縮機的管道設計過程，對相關標準規范進行了歸納，并對遇到的設備布置與管道設計問題進行了探討。

1 往復式壓縮機常用管道設計規范

為了處理好管內流體脈動或激振力引起的振動問題，在往復式壓縮機的配管設計中，應滿足一些適用于壓縮機的設備布置與管道布置的設計規范。另外，為了更好的解決或避免管線振動問題，除了對壓縮機進出口管線進行常規的一次應力與柔性分析外，還需要采用相應的振動分析規范對管路進行振動分析。

1.1 設備布置與管道布置規范

SH3011-2011在其5.10章節對壓縮機的布置做了專門的規范要求。適用于往復式壓縮機的主要的要求為[1]：壓縮機及其附屬設備的布置應滿足制造廠的要求；壓縮機附屬設備宜靠近機組布置；可燃氣體壓縮機的布置及廠房設計應滿足相應規定(詳見規范中5.10.3條)；往復式壓縮機安裝高度除滿足該規范的5.10.5條規定外，為了減少振動，安裝高度應降低；壓縮機吊裝機的選用應滿足相應規定(詳見規范中5.10.10條)；壓縮機的基礎應當與廠房結構的基礎分開，等等。

SH3012-2011在其5.9章節對壓縮機的管道布置做了專門的規范要求。適用于往復式壓縮機的主要要求為[2]：壓縮機周圍的管道布置不應影響壓縮機的的吊裝與檢修，并留有相應的檢修空間；壓縮機進出口管道布置在滿足管道柔性及管口的作用力和力矩的條件下，應使管道短，彎頭數量少；往復式壓縮機入口過濾器布置要求(詳見規范中5.93條)；往復式壓縮機進出口管道應進行振動分析，并應使管道的固有頻率避開管道的氣柱固有頻率計及機器的激振頻率(相應的措施見規范中5.94條)；往復式壓縮機進口管道布置要求(詳見規范中5.95條)；往復式壓縮機進出口管道宜沿地面敷設，并增加管架的剛度。

SH3059-2012對含有氫氣管線材質選擇規定如下：對操作溫度等于或高于200℃，介質中含有氫氣的碳鋼和合金鋼管道，應根據管道最高操作溫度加20～40℃的裕量和介質中氫氣的分壓，根據Nelson曲線選擇合適的抗氫材料。

1.2 管道柔性設計與振動分析規范

SH3041-2002中2.12條中規定往復式壓縮機進出口管線應進行柔性設計，還應考慮流體壓力脈動的影響。

GB50316-2000(2008版)中第9章節為金屬管道的柔性設計規定，第10章節為管道支吊架設計規定。該規范9.61條中提供的常用的改善管道柔性方法為：調整支吊架的形式與位置或改變管道走向。

振動分析常用標準為API618 。API618-2007中7.9章節提出了三種進行脈動分析的方法。制造廠多使用第三種設計方法進行脈動分析。第三種設計方法為聲學模擬和管路約束力分析，加上力學分析(若有必要進行帶強制機械響應的分析)。API618中對管路設計振動量限制如下：對頻率低于10Hz的許用振幅為0.5mm；對頻率在10到200Hz的許用振動速度為32mm/s(峰-峰值).

郭文濤[3]認為：API618第五版較第四版能提供更多的關于脈動分析與振動控制的判定依據，但API618給出的準則為往復式壓縮機的最低要求；考慮到工程風險，需要業主、設計方、制造商進行協調以確認相互認可的判定值。

孫樹福等人[4]在其文章中介紹了往復壓縮機管線振動分析的流程，其在振動分析中傾向于采用《容積式壓縮機技術手冊》中所推薦的雙振幅圖譜(見下圖1)，其認為采用這種判定方法是考慮到了振動對機組的嚴重危害性。

《容積式壓縮機技術手冊》給出圖1所示的數據使用條件為[5]：適用于一般制造良好的管道，對要求嚴格的管道或安裝有未緊固的支管等情況，需要另外考慮。

圖1 管道振幅(雙)的許用值和危險值

上圖1中，線1為平均感覺界限，線2為設計，線3為介于兩者之間，4線為要修改，5線為危險。

2 設計中遇到的問題探討

該原料加氫處理裝置中所用的往復式新氫壓縮機型號為：4M125-35.9/24-185-BX。按照工藝PID，該型號壓縮機在原料加氫裝置中使用三臺，兩開一備。該壓縮機編號為C4201A/B/C，每臺壓縮機都有一個獨立的一級入口分液罐；三臺壓縮機的出口最后合并為一根管線后接入同在壓縮機廠房的循環氫機出口管線中。

2.1 設備與廠房布置

壓縮機機型比較大的時候，常采用二層平臺布置，這樣做不僅便于壓縮機及其附屬設備的檢修與吊裝，也便于機組附近的廠家所帶管線的日常維護操作。

二層平臺布置增加了廠房內的結構立柱。限于SH3011中對壓縮機主機基礎與廠房結構基礎分開的要求，若壓縮機基礎結構或設備布置不合理，在機組附近增加立柱常有一定難度。因而詳細設計階段中的壓縮機設備布置，宜考慮留出支撐二層平臺的結構立柱空間，同時考慮留出地下管線的布置空間，這樣可減少設備位置的再次調整。壓縮機的附屬設備的布置通常有兩種主流形式[6]：一種是將分液罐和冷凝器布置在壓縮機棚/廠房外；另一種是分液罐和冷凝器布置在壓縮機棚/廠房內，兩種布置方式見圖2。本裝置采用將分液罐和換熱器放在廠房外的布置方式。

廠房軌頂高度計算結果見表1。根據壓縮機機體情況，取行車越過障礙物的高度為11000mm。采用吊鉤到吊件距離與被吊部件高度累加的計算方法(這種計算方法比吊鉤加起吊板計算的高度更高)。采用表1計算出的廠房高度，實際起吊檢修件的時候可以采用吊鉤加起吊件方式或使用吊鉤加起吊板方式。根據計算結果，提給土建專業的廠房軌頂高度取15.5m。

表1 廠房軌頂高度計算

本裝置中檢修區留有一處，吊裝孔在新氫機與循環氫機之間。根據最大檢修部件大小，將檢修區定為為6m長5m寬；為便于吊裝部件的進出，吊裝孔大小為6m長6m寬。

2.2 管道設計

本裝置中除三級出口溫度達到124℃以外，其他各級進出口管線溫度都不高。因而三級出口管線和三級出口返回線的管道設計可以作為管線柔性設計的重點。

在本裝置設計中，三級出入口的管道設計為規劃方案反復修改的重點。新氫壓縮機的機體分別有兩個三級入口和兩個三級出口氣缸。機身三級入口接管管徑為DN200，三級出口接管管徑為DN150.三級出入口的氣缸距離地面較高，因而在該級出入口管線的立管上有設置防振管卡的必要。在立管上設置防振管卡，其管墩的基礎應避開廠房結構立柱基礎或壓縮機基礎。在與土建專業以及地管專業溝通后，才能更好的完成此處的管線布置。

關于三臺壓縮機三級出口匯合方式，避免采用兩兩分支直接正對匯合，這樣會使管線內氣柱發生碰撞，增大管系振動風險，理想狀態是將一支作為主管，其它兩支順介質流向45度斜接至主管，因壓力較高，45度斜接比較難實現，本裝置采用直三通側面匯合方式。因管架剛度較小，匯合之后的主管不宜直接上管架，應沿地面走盡可能長的距離，沿地敷設管墩，設置防振管卡。

廠家選定的一級入口過濾器為Y型過濾器(DN250)。本裝置中將過濾器放在了靠近壓縮機一級入口管嘴處。這樣布置便于在二層平臺下進行過濾器的抽芯等日常操作。

2.3 管道支架設計

設計過程中，設計方發振動分析委托給制造廠，由制造廠負責管道的振動分析。以沈陽鼓風集團為例，其振動分析采用API618的設計方法3。其在對壓縮機管道進行振動分析前，會對管線進行一次應力與二次應力的分析。

根據廠家的振動分析結果，部分管卡的位置需要調整，三級出口管線和一級返回線上機前管橋的管卡位置與型號需要進一步優化。從返回結果看，溫度高的三級出口要注意不要超過管道的柔性設計要求，支架的選擇要合理；一些架空的管線要加上一些防振管卡，以免發生一些低頻率的振動。與制造廠設計人員溝通商議后，一級出口返回線去管橋方向上增加一個防振管卡；三級出口管線合并前，每臺新氫壓縮機三級出口管線的立管上增加一個防振管卡；但是其振動分析返回結果還是要求這些管線全都采用防振管卡形式。

根據廠家的振動分析結果，廠家要求在一些管線支架處增加止推。現有的往復式壓縮機的管道支架多采用防振管卡。嚴格意義上講，這些管卡多為有防振作用導向管卡，只有個別防振管卡為用于固定的管卡。可見要重視在防振管卡上增加止推管卡的設計。

3 小結

(1)往復式壓縮機的管道設計應滿足針對壓縮機的管道設計與防振規范。在實際設計過程中，各個設計院自己編制的標準規范，也可作為設計的規范依據。

(2)在設計前期，若對管線和支架進行合理的規劃與設計，并綜合考慮土建專業的結與地管專業的設計對所規劃的管線的影響，利于減少后續的振動分析以及與土建地管等委托的前后溝通的改動量，提高設計的效率和質量。

(3)從制造廠振動分析的結果來看，主要管線(不包括管線的儀表件，管徑較小的放空線等)與其支架位置為設計中的重點，因而宜結合具體的裝置布置情況，重點對主要管線進行優化設計，并及時與制造廠振動分析人員進行溝通。一些在立管上布置的防振支架，高度可以與制造廠進行溝通，盡量降到二層平臺以下；一些防振支架，在廠家振動分析計算后可以取消的應及時取消，減少管墩用量。

(4)在設計過程中，對一些小直徑管線的剛度與防振問題要加以重視，對一些管線可能增加止推管卡的情況要加以考慮。