天然氣壓縮機(jī)組管系的支吊架優(yōu)化分析

馮志陽(中國船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司，新疆 烏魯木齊 830011)

1 概述

某壓氣站壓縮機(jī)進(jìn)出口管道與匯管三通連接處出現(xiàn)五處裂紋，其中一處裂紋發(fā)生預(yù)留壓縮機(jī)進(jìn)口管道切斷閥前袖管直焊縫處。在實(shí)際現(xiàn)場勘察中發(fā)現(xiàn)，該壓縮機(jī)進(jìn)出口管道防振管卡的固定螺栓脫離基礎(chǔ)頂面，對(duì)管道約束功能下降，壓縮機(jī)管嘴荷載將大幅增大，機(jī)組振幅與振動(dòng)烈度將增大，影響機(jī)組的正常使用壽命。切斷閥所支撐的混凝土基礎(chǔ)西南角缺損，同時(shí)閥體支架向西滑動(dòng)約200 mm，原應(yīng)力計(jì)算模型的計(jì)算位移與實(shí)際存在較大偏差。

2 應(yīng)力分析

2.1 計(jì)算工況和參數(shù)

按照 ASME B31.3的要求，從如下三個(gè)方面對(duì)管道設(shè)計(jì)進(jìn)行校核：

(1)持續(xù)載荷工況(SUS)。該工況考慮重力和壓力影響下管道產(chǎn)生的應(yīng)力是否滿足要求，按照B31.3中一次應(yīng)力的基準(zhǔn)校核。

(2)熱膨脹工況(EXP)。該工況考慮溫度對(duì)管道的熱膨脹影響所產(chǎn)生的應(yīng)力是否滿足要求，按照B31.3中二次應(yīng)力的基準(zhǔn)校核。

(3)操作工況(OPE)。該工況主要考慮壓縮機(jī)進(jìn)出管口載荷是否超出標(biāo)準(zhǔn)要求，按照API-617中離心壓縮機(jī)管口載荷的校核方法，根據(jù)壓縮機(jī)廠家進(jìn)出口管道管嘴荷載要求進(jìn)行校核。

2.2 計(jì)算模型

按照竣工圖，并結(jié)合壓縮機(jī)配管應(yīng)力分析工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)建立CAESARⅡ模型，如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)進(jìn)口管系三維模型細(xì)節(jié)圖

2.3 計(jì)算和分析結(jié)論

2.3.1 計(jì)算過程

ASME B31.3中一次應(yīng)力校核準(zhǔn)則為：由重力和其他持續(xù)荷載在管道中產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和SL不得超過熱應(yīng)力狀態(tài)Sh，即：

ASME B31.3中的二次應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為：由熱膨脹及端點(diǎn)位移等因素引起的位移應(yīng)力范圍SE不的超過許用值SA，即：

式中：Sc為冷態(tài)許用應(yīng)力；f為在預(yù)計(jì)壽命內(nèi)，考慮總循環(huán)次數(shù)影響的許用應(yīng)力范圍減小系數(shù)。

當(dāng)Sh大于SL，他們之間的差值可以加到上式中的Sh上，許用應(yīng)里范圍SA成為：

在ASME B31.3中，二次應(yīng)力范圍SE是忽略軸向應(yīng)力作用情況下的最大剪應(yīng)力理論的當(dāng)量應(yīng)力，即：

式中：Sb為管道在熱膨脹、冷縮及端點(diǎn)位移等作用下合成彎矩引起的應(yīng)力；St為管道在熱膨脹、冷縮及端點(diǎn)位移等作用下的扭矩引起的應(yīng)力。

ASME B31.3要求在計(jì)算第二次應(yīng)力范圍SE時(shí)考慮管道在幾何不連續(xù)處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，其方法是乘上一個(gè)應(yīng)力增大系數(shù)，而不是進(jìn)行局部的詳細(xì)分析。

上式就是ASME B31.3管道的二次應(yīng)力校核條件式。

同時(shí)根據(jù)API 617 附錄F的規(guī)定，需從以下方面對(duì)壓縮機(jī)管口的載荷進(jìn)行校核，并需同時(shí)滿足：(1)壓縮機(jī)中心點(diǎn)的獨(dú)立載荷分量必須符合規(guī)范要求；(2)吸氣口和排氣口的合成力和合成力矩須單獨(dú)校核并符合要求；(3)吸氣口和排氣口基于壓縮機(jī)中心點(diǎn)的綜合力和彎矩必須符合要求。

2.3.2 分析結(jié)論

(1)現(xiàn)有管道設(shè)計(jì)在SUS工況和EXP工況下的應(yīng)力均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；(2)現(xiàn)有管道設(shè)計(jì)在OPE工況下的管口載荷過大，嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)要求；(3)依據(jù)壓縮機(jī)管口校核計(jì)算結(jié)果分析，壓縮機(jī)進(jìn)出口管線沒有軸向限位約束，導(dǎo)致壓縮機(jī)管口載荷過大，需優(yōu)化壓縮機(jī)管口附近支架，降低管口載荷；(4)從靜力分析支架荷載來看，壓縮機(jī)的進(jìn)口管道的電動(dòng)球閥下的支架均脫空，而實(shí)際現(xiàn)場均未脫空，而與其相連的匯管三通次應(yīng)力均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可推斷匯管三通母管發(fā)生過沉降，而實(shí)際電動(dòng)球閥仍有效支撐，匯管三通一次應(yīng)力減小。

3 壓縮機(jī)關(guān)系支吊架優(yōu)化分析

通過對(duì)現(xiàn)有管線系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，目前管口載荷過大的主要原因是壓縮機(jī)進(jìn)出口管道柔性不夠，無法吸收管道因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力[1]，因此主要通過改變進(jìn)出口管線的約束條件、增加彈簧支撐等增加管道柔性的方式來進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的原則為盡量采用最少的彈簧數(shù)目達(dá)到最佳的優(yōu)化效果，分析中采用最不利工況參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3.1 彈簧支撐選型

從成本控制的角度考慮，優(yōu)先使用可變彈簧，當(dāng)單一可變彈簧無法滿足要求時(shí)根可變彈簧，當(dāng)兩根可變彈簧無法滿足時(shí)采用恒力彈簧；壓縮機(jī)進(jìn)出管口支撐如采用可變彈簧，彈簧的載荷變化率不應(yīng)大于10%。基于標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47039—2013《可變彈簧吊架》進(jìn)行選型，考慮到管溝內(nèi)管線底部空間有此管溝內(nèi)彈簧采用C型彈簧。

3.2 安裝初始偏移量分析

綜合考慮SY/T 411—2007《天然氣壓縮機(jī)(組)安裝工程施工技術(shù)規(guī)范》、ASME B31.3及API686的相關(guān)要求，選定安裝初始偏移量為：法蘭同心度(錯(cuò)邊量)3 m，法蘭端面張口偏差(平行度)最大3 m。通過壓縮機(jī)剛性件模擬模型算得進(jìn)出管口操作工況下的偏移量為：吸氣口：X=0.24 m，其余為0，排氣口：x=0.964 m，其余為0。

去掉壓縮機(jī)剛性件，在管口加入上述偏移量作為D，將安裝初始偏移量作為D。

彈簧支撐為柔性支撐，為保證系統(tǒng)安裝的穩(wěn)定性，在實(shí)際操作中如安裝偏差在標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)(3 mm以內(nèi))，可參照對(duì)應(yīng)的安裝載荷調(diào)整簧刻度將偏差盡量消除，以實(shí)現(xiàn)無應(yīng)力安裝，然后根據(jù)實(shí)際彈簧的安裝載荷重新校核管道。根據(jù)計(jì)算結(jié)果初始安裝偏差較大(均大于3 mm)，會(huì)影響管口對(duì)中，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，避免管道振動(dòng)，進(jìn)出口管道采用固定支撐，通過限位支架的方式來防止增壓機(jī)管道失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生[2]。

4 結(jié)論

(1)通過計(jì)算分析，建議采用在出口彎管處增加止推支架的方最終改造方案。所增加止推支架的材質(zhì)、規(guī)格等參數(shù)可經(jīng)過進(jìn)一步分析確定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，建議止推支架前后端均安裝螺母。

(2)建議實(shí)際操作中，安裝偏差首先應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的3 mm范圍內(nèi)，且可參照彈簧對(duì)應(yīng)的載荷調(diào)整彈簧刻度將偏差盡量消除；如3 m偏差難以滿足，為保證管路運(yùn)行的穩(wěn)定性，偏差不應(yīng)超過6.5 mm在此范圍內(nèi)可參照彈簧對(duì)應(yīng)的安裝載荷適當(dāng)調(diào)整彈簧刻度將偏差盡小；不允許安裝偏差等于或超過10 mm，如出現(xiàn)該情況，建議考慮重新進(jìn)行管路無應(yīng)力安其他手段降低安裝偏差。

(3)彈簧支架的最大允許變形量建議按如下要求執(zhí)行：壓縮機(jī)進(jìn)口管溝內(nèi)支架最大的允許變形量為17.23 mm，壓縮機(jī)進(jìn)口處彈簧支架最大的允許變形6.18 mm，壓縮機(jī)出口處彈簧支架最大的允許變形量為5.97 mm，壓縮機(jī)出口管溝內(nèi)彈簧支架最大的允許變形量為17.95 mm。

(4)為確保管路系統(tǒng)運(yùn)行的安全，日常彈簧檢查時(shí)應(yīng)確認(rèn)彈簧載荷在如下范圍以：內(nèi)機(jī)進(jìn)口管溝內(nèi)彈簧為45.833～71.140 kN，壓縮機(jī)進(jìn)口處彈簧為46.690～56.499 kN，壓縮機(jī)出口處彈簧為34.479～41.720 kN，壓縮機(jī)出口管溝內(nèi)彈簧為47.726～74.571 kN。

(5)項(xiàng)目運(yùn)行4 000 h后脫開管卡進(jìn)行復(fù)檢確定管口及各支撐處的變形量，根據(jù)最新的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)管路應(yīng)力、管口載荷、彈簧以及支掉/止推結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(6)埋地管道不可避免出現(xiàn)不均勻沉降問題，尤其是重量非常大的閥組和大口徑長管道，主管的沉降量明顯大于分支管，建議分支管的支架與主管的支架共用一個(gè)基礎(chǔ)，具有相同的沉降量，這將有效避免出現(xiàn)不均勻沉降，減輕因不均勻沉降產(chǎn)生應(yīng)力集中問題。主管與分支管不在同一基礎(chǔ)時(shí)，當(dāng)主管沉降后及時(shí)通過調(diào)松分支管的可調(diào)螺母解決分支管與主管間的應(yīng)力集中問題。