往復式壓縮機工程設計中的問題探討

王海彬

（惠生工程中國有限公司，上海 201210）

在工程設計中，對流量比較小，出口壓力比較高的壓縮機易選擇往復式壓縮機。往復式壓縮機使用壓力范圍廣、壓比大、熱效率高、氣密性相當好，連續使用的故障低。根據這些特性如：高壓氮氣壓縮機、高壓氫氣壓縮機等都選用往復式壓縮機機型。然而在實際使用過程中往復式壓縮機存在著振動大，噪聲高，結構復雜易損件多，維修量大等問題。振動在往復式壓縮機運行過程中是非常復雜的事情，也是工程設計中非常頭疼的問題，一但與之相接的進出口管道設計不合理就會加大壓縮機的振動甚至還會引起共振，直接影響到壓縮機的性能及使用壽命；同時將造成相連管道的疲勞損傷、保溫材料破損、儀表導管損壞及控制系統的誤操作等，輕則造成局部泄漏，重則引起爆炸。

1 振源分析及防振措施

往復壓縮機的工作特點是活塞在氣缸中進行周期性的往復運動，引起呈間歇性和周期性吸排氣，管內氣體處于脈動狀態，管內氣體的壓力、流速、密度等不但隨位置變化，而且隨時間作周期性變化，這種現象稱為氣流脈動[1]。管內脈動氣體遇到彎頭、異徑管、控制閥、等管件后將產生隨時間變化的激振力，受此激振力的作用，管道產生振動。管道產生振動的振源主要是管內氣體的壓力脈動。

由于壓力脈動始終存在，因此往復壓縮機管道在允許范圍內存在某種程度的振動是正常現象，但應該避免發生劇烈振動，否則可能導致管道的疲勞損傷，尤其可能使小口徑管道損壞；管道保溫材料的破損；測量儀表及導管的損壞和控制系統的誤動作；管道的擺動或振動以及噪聲對人的影響等[2]。引起管道發生劇烈振動的主要原因有兩個：一是氣體壓力脈動過大，導致激振力過大，振動的頻率越高，管道振動的幅值及應力越大，則振動越大。可能造成氣體壓力脈動過大的因素是，土建基礎設計有誤差、緩沖罐設計過小、管內氣柱發生共振。二是管道本身發生結構共振，管道本身發生共振的原因則是管道結構固有頻率與往復式壓縮機激振力頻率過于接近或相等時，共振使管道振動急增，相關管線產生較大的位移。

為了降低管道內氣體壓力波動和避免管道發生結構共振，可采取以下措施減小管道的振動：管道與壓縮機之間采用柔性接頭連接；增加孔板；合理設置緩沖罐，位置越接近壓縮機的管嘴效果越好；減少彎頭數量，增大管徑和壁厚，合理設置大半徑彎頭；增設防振支架或簧支架；通過計算使氣體脈動頻率、管道的結構頻率與激振力頻率錯開。

2 管道設計的要點

1）在做壓縮機工程設計時，首先要與壓縮機制造廠明確分工。明確制造廠與設計院之間各負的責任，壓縮機機各級間的管道配管及相應支架的設計由壓縮機制造廠商負責，而壓縮機的進出口管道和與之配套公用工程管道由設計院負責。往復式壓縮機的管系需提交壓縮機廠商做脈動分析，根據API-618規定采用何種脈動分析方法由雙方協商決定。壓縮機制造廠商提供的各級間配管方案，包括各級間換熱器的布置方式需反饋給設計院進行審查，設計院可根據實際情況提出修改意見，并有責任與制造廠商就修改意見達成一致。

2）其次，管道設計專業要與管道應力專業明確分工。在進出口管道的初步走向確定后，管道應力專業應通過CAESER II工具對管道布置及支架設置方案進行靜態應力分析，判斷其是否滿足工藝配管規范的要求。若靜態應力分析結果不滿足規范要求，則需要對初步的管道布置和支架設置方案提出修改，直至滿足規范要求為止。初步的管道布置和支架設置方案經靜態應力分析確認后，通常需要提交壓縮機制造廠商再確認，同時對于壓縮機制造廠商提出的修改意見，需與壓縮機制造廠商進一步溝通，直至完全一致為止。

3）應采用或參照已有成功運行經驗的管道布置實例。

4）壓縮機兩側及后方電機側應留有至少2m的檢維修空間，其周圍在管道布置時必須考慮壓縮機部件在檢維修時能方便的吊裝。

5）壓縮機進出口管道的布置在滿足管口的作用力和力矩的條件下，應使管道布置短而直，盡量減少彎頭數量，但出口管道有熱脹時，應使管道具有柔性。

6）壓縮機進口管道的過濾器宜設置在水平管道上，且應安裝在靠近管嘴處，若設置臨時過濾器，在進口管道上應設置一段可拆卸短管，且在此短管上不宜設置儀表管口和分支。

7）壓縮機進口管道宜有坡度，并坡向進口分液罐或進口集合管，管道宜從集合管頂部引出。壓縮機各段間冷卻器和分離罐的管道宜設坡度，并坡向分離罐。

8）由于出口排氣管管內氣體脈動引起的壓力及流速波動變化較大，因此當采用柔性連接時不宜設置波形膨脹節。

9）壓縮機系統中排向大氣的放空管道，排放無毒非可燃氣體時，如空氣其放空口頂部應高出鄰近平臺或建（構）筑物頂部2.5m以上，而氮氣、氧氣放空管道其排放口頂部應高出鄰近平臺或屋檐4.0m以上；當排放可燃氣體及規范允許的有害氣體放口頂部應滿足20m范圍內的平臺或建筑物頂3.5m以上。

吸氣和排氣管道支架的設計要點：

①為減少或避免振動，吸氣和排氣的管道上不得使用吊架。

②吸氣和排氣管道支架不宜在壓縮機的房柱和樓板上生根。

③振動管道宜沿地面敷設，一般將管道的管卡生根在管墩上，應合理設置導向支架和管卡，既要抗振、又不妨礙管道的熱位移。為了使管托、管卡具有一定的彈性來吸管道的振動，可在固定管卡與管道之間襯以石棉橡膠板或四氟乙烯板。

④小口徑（公稱直徑不大于40mm）分支管與主管連接處宜順介質流向斜接且采用加強管接頭或角撐板。

⑤對需要考慮熱應力的管道，其支架位置需統籌考慮，并應滿足應力分析和防振設計要求。

⑥在所有管道拐彎、分支以及標高有變化處，在水平管道所有荷載集中處（切斷閥、安全閥、過濾器），其附近應設置支架。

⑦不得在壓縮機機殼上和支承壓縮機的底座上設置管道支架。

3 往復式壓縮機配管優化案例

圖1為某氟化工技改工程項目往復式壓縮機的配管。由于制造廠的內部管線與設備接口沒有采取柔性連接，配管也沒有滿足管道的柔性，管道偏心不均衡，管架設計不合理，缺少彈簧支架，而且壓縮機制造廠沒有經過振動計算。開車時系統產生共振，管道跳躍，噪聲震耳欲聾。根據現在實際情況設計院和壓縮機制造廠聯合起來進行了管系的振動計算，在滿足開車進度的要求下，盡量少修改配管，經過以下優化，效果良好。

1）在出口處試加孔板。管道內的平均壓力是生產裝置的工藝操作參數，主要取決于工藝操作要求，一般是不宜改變的，但可以通過局部瞬時高壓來降低壓力不均勻度。因此在壓縮機出口設置孔板，當壓縮機排氣時，氣體的流速、流量和壓力由較高值逐漸降低并跨過吸氣低壓階段直到下次排氣為止，從而達到降低孔板下游管道內介質壓力峰值即降低壓力不均勻度的目的[2]。

2）重新調整管架選擇減振型支架。固定支架雖然可以達到防止管道振動的目的，但是管道會局部增加剛性，妨礙了管道的熱位移，不利于自然補償，因此采用防振管卡作為支架使管道在縱向適當放松約束。防振管卡主要如圖2組成。

管卡選用扁鋼以代替圓鋼使其增加受力范圍，兩邊的螺栓切向拉緊可以增加扁鋼管卡的卡緊力；選擇雙螺母，以防止因振動而脫落，將螺栓孔調整為長圓形，使管道可能產生的熱脹位移得到釋放；同時在管道外壁與防振管卡之間加一層3mm石棉橡膠板以確保管道外壁與防振管卡內壁充分接觸。

4 結語

目前在新建的化工裝置中對運行的穩定性提出了苛刻的要求，對于管道的種類和數量也逐年增加，管道系統日趨復雜。結合實際的案例論述了往復式壓縮機產生振動的原因及其管道防振設計的方法，總結了往復式壓縮機進出口管線設計的要點，為今后往復式壓縮機的管道設計起到借鑒的作用。