往復(fù)式壓縮機(jī)管道防振設(shè)計(jì)研究

曹姍

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)是石油化工裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)氣缸的活塞運(yùn)動(dòng)為介質(zhì)增壓。壓縮機(jī)本身投資高，機(jī)組連接的管道相對(duì)復(fù)雜、管徑較大，且管系容易發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)是整個(gè)裝置管道設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。本文結(jié)合某新建裝置，簡(jiǎn)要論述了往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，包括壓縮機(jī)廠房的設(shè)置、附屬設(shè)備的平面布置、管道防振設(shè)計(jì)、振動(dòng)分析及管線(xiàn)改進(jìn)等。

1 壓縮機(jī)廠房的設(shè)置

壓縮機(jī)廠房主要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括廠房型式、大小和高度等。

該裝置位于東部沿海地區(qū)，壓縮機(jī)內(nèi)工藝介質(zhì)為氫氣。為防止泄漏的可燃?xì)怏w積聚，廠房采用半敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，樓板采用鋼格板，以便于通風(fēng)。廠房?jī)?nèi)共布置4臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)，正常操作工況下為3開(kāi)1備。根據(jù)壓縮機(jī)的型式和尺寸，綜合考慮安裝、操作、檢修所需空間等因素，確定廠房為雙層布置，大小為24×78 m，二層平臺(tái)高度為4.5 m。壓縮機(jī)本體及油箱布置在二層平臺(tái)上，附屬設(shè)備及水箱布置在地面，廠房?jī)?nèi)設(shè)置一個(gè)防爆橋式吊車(chē)。

壓縮機(jī)廠房的高度是根據(jù)吊車(chē)型式、設(shè)備所需最低起吊高度等因素確定。最低起吊高度為被布置設(shè)備的最高高度、吊起時(shí)確保越過(guò)障礙物的最小富余高度、被吊最大設(shè)備的高度與吊纜長(zhǎng)度的總和。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到廠房?jī)?nèi)吊車(chē)軌頂高度為20 m。

2 壓縮機(jī)附屬設(shè)備的平面布置

本裝置的4臺(tái)壓縮機(jī)共用一個(gè)入口分液罐，因此考慮將其放置在靠近廠房外側(cè)，與其他容器集中布置，便于設(shè)置平臺(tái)。

本裝置壓縮機(jī)為二級(jí)壓縮，附屬設(shè)備包括級(jí)間分離器、級(jí)間冷卻器、潤(rùn)滑油站和水站等。常見(jiàn)的布置方式有兩種：一種是將級(jí)間分離器和級(jí)間冷卻器布置在壓縮機(jī)廠房前的管橋下方或外側(cè)；另一種是按照工藝流程將各附屬設(shè)備靠近壓縮機(jī)布置在廠房?jī)?nèi)。

第一種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)組及管道上閥門(mén)等有更大的操作和檢修空間；缺點(diǎn)是級(jí)間分離器離壓縮機(jī)較遠(yuǎn)，管道需要從管橋上架空穿過(guò)或沿地面敷設(shè)，前者不利于管道防振，后者會(huì)影響管橋下方的通行空間，一般在廠房?jī)?nèi)空間緊張的情況下采用。

第二種布置方式的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備及管道更加緊湊，有利于節(jié)省空間和管道長(zhǎng)度，但相應(yīng)增加了后期管道規(guī)劃的難度。對(duì)比兩種方案后，考慮采用第二種布置方式，由此得到的壓縮機(jī)廠房設(shè)備平面布置如圖1所示。A/B機(jī)和C/D機(jī)中心距為18 m，B/C機(jī)中心距為21.5 m，每?jī)膳_(tái)壓縮機(jī)共用一處檢修區(qū)域，4臺(tái)壓縮機(jī)共用一處吊裝孔。

圖1 壓縮機(jī)廠房設(shè)備平面布置圖

3 往復(fù)式壓縮機(jī)管道防振設(shè)計(jì)

往復(fù)式壓縮機(jī)通過(guò)氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使缸內(nèi)的容積產(chǎn)生周期性的變化，從而將氣體進(jìn)行增壓并運(yùn)送至后續(xù)設(shè)備中，機(jī)組本體在正常工作情況下為振動(dòng)狀態(tài)，因此與壓縮機(jī)連接的進(jìn)出口管道就會(huì)不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)。若振動(dòng)幅度過(guò)大，會(huì)造成管道疲勞破壞、管道上儀表件松動(dòng)破壞、法蘭連接處密封失效等問(wèn)題。

從而可能引起介質(zhì)泄漏，出現(xiàn)巨大安全隱患，影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，甚至?xí)斐苫馂?zāi)爆炸等重大事故。因此如何減小管系振動(dòng)是往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

3.1 管道振動(dòng)原因

引起壓縮機(jī)管道系統(tǒng)振動(dòng)的原因主要有[1-2]：

(1)壓縮機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如機(jī)身的腳螺栓松動(dòng)、氣缸支撐不良等，導(dǎo)致各部件的作用力與力矩等處于不平衡狀態(tài)，從而產(chǎn)生振動(dòng)，并將振動(dòng)傳遞到管道上；

(2)管道系統(tǒng)內(nèi)所容納的氣體(即氣柱)具有一定的質(zhì)量，可以進(jìn)行壓縮也會(huì)發(fā)生膨脹，它有自己一系列的固有頻率。在壓縮機(jī)吸排氣過(guò)程的激發(fā)下，會(huì)形成振動(dòng)，當(dāng)氣柱固有頻率落在激發(fā)頻率的共振區(qū)內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生氣柱共振；

(3)輸送氣流的管道本身也是一個(gè)彈性系統(tǒng)，當(dāng)氣流在氣缸間歇性吸排氣作用下產(chǎn)生脈動(dòng)時(shí)，由于壓力的脈動(dòng)變化，在經(jīng)過(guò)彎頭、閥門(mén)、異徑管等這些管道上的拐彎處或截面變化處就會(huì)有周期性的激振力作用。在激振力作用下，管道就會(huì)發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)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)，就會(huì)產(chǎn)生管路機(jī)械共振。

3.2 管道減振措施

分析上述管道振動(dòng)的原因，為減小管道振動(dòng)，在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮減小管道內(nèi)的氣流脈動(dòng)和增加管系的固有頻率。

其中，氣流脈動(dòng)的大小可以用壓力不均勻度來(lái)表示：

式中：δ為壓力不均勻度(%)；Pmax為管道內(nèi)最高峰值壓力(絕壓)(MPa)；Pmin為管道內(nèi)最低峰值壓力(絕壓)(MPa)；P為管道內(nèi)的平均壓力(絕壓)(MPa)。

當(dāng)壓力不均勻度越大時(shí)，振動(dòng)頻率就越高，管道產(chǎn)生振動(dòng)的可能性也越大。工程上一般將壓力不均勻度控制在4%～6%。

3.2.1 合理設(shè)計(jì)緩沖器容積和位置

緩沖器是一種有效減小氣流脈動(dòng)的衰減裝置，如同一個(gè)柔性彈簧，可以將部分壓力脈動(dòng)吸收，從而減小進(jìn)入后續(xù)管道內(nèi)的壓力脈動(dòng)值。選擇合適的緩沖器容積和位置有助于減小管系振動(dòng)。

緩沖器容積一般采用美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)的規(guī)定，最小容積應(yīng)是活塞行程容積的10倍以上且不應(yīng)小于0.028 m3。

當(dāng)緩沖器與氣缸間的管道過(guò)長(zhǎng)時(shí)，易使管系落入氣流脈動(dòng)的共振區(qū)，導(dǎo)致管線(xiàn)振動(dòng)，有時(shí)還會(huì)增加壓縮機(jī)氣缸體的振動(dòng)。

對(duì)于上進(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。

3.2.2 增設(shè)孔板

在管道適當(dāng)位置增加孔板，可將管道內(nèi)的壓力駐波變?yōu)樾胁ǎ构艿牢捕瞬辉倬哂蟹瓷錀l件，有效降低管道內(nèi)的壓力不均勻度，從而減小氣流脈動(dòng)和管道振動(dòng)。孔板的尺寸和安裝位置是影響孔板作用的兩個(gè)主要因素。

孔板的尺寸根據(jù)開(kāi)口比(孔板內(nèi)徑與管道內(nèi)徑的比例)的取值進(jìn)行確定，開(kāi)口比一般取0.43～0.50，對(duì)于低速氣體可以取接近0.50，對(duì)高速氣體可以取接近0.43。孔板內(nèi)徑邊緣處需保留銳角，否則減振效果會(huì)降低。孔板厚度不宜太厚，一般取3～5 mm，否則不僅增加局部阻力損失，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生噪音。

孔板安裝的位置不同，對(duì)壓力不均勻度的影響較大，一般安裝在緩沖器出口和分離器入口，使之形成一定的壓力降，以提高緩沖效果。需要指出的是，由于孔板容易造成局部阻力損失，對(duì)工藝條件產(chǎn)生影響，因此一般在不考慮加裝孔板的假設(shè)下計(jì)算緩沖器容積，當(dāng)計(jì)算得到的緩沖器容積過(guò)大而無(wú)法制造安裝時(shí)，再考慮加裝孔板。

3.2.3 合理設(shè)計(jì)管道結(jié)構(gòu)

(1)盡量減少?gòu)濐^數(shù)量

管道轉(zhuǎn)彎處示意圖如圖2所示，d為管道直徑，α為彎頭轉(zhuǎn)角，管道內(nèi)氣體脈動(dòng)壓力為Δp，則彎頭處的受到的激振力F1為[3]：

圖2 管道彎頭處受力示意圖

由公式(2)和(3)可知，管道內(nèi)激振力大小與管內(nèi)氣體脈動(dòng)壓力Δp和彎頭轉(zhuǎn)角α有關(guān)。當(dāng)Δp為定值，α=0°(即直管)時(shí)F1最小，α=90°(即90°彎頭)時(shí)F1最大。

若彎頭過(guò)多，則會(huì)加劇管系的振動(dòng)。因此在布置壓縮機(jī)管道時(shí)，在滿(mǎn)足管道柔性分析的前提下應(yīng)合理設(shè)計(jì)管道結(jié)構(gòu)，做到管道短而直，且盡量減少?gòu)濐^數(shù)量，條件允許的情況下考慮優(yōu)先采用長(zhǎng)半徑彎頭或45°彎頭。

(2)適當(dāng)增加管徑

管徑對(duì)壓力不均勻度也有影響，管徑越大，管道端口接收到的速度激發(fā)就越小。因此增加管徑能有效地降低壓力不均勻度，從而減小管系振動(dòng)。

(3)管道盡量沿地敷設(shè)或降低敷設(shè)高度

對(duì)于振動(dòng)管道，一般將管道沿地敷設(shè)，并將管道支架生根于混凝土管墩，以便于吸收管道振動(dòng)。當(dāng)管道敷設(shè)高度過(guò)高，則需要增加管墩高度或者將支架生根于鋼結(jié)構(gòu)上，兩種做法都不利于增加管系的穩(wěn)定性。對(duì)于有閥門(mén)的管道，由于閥門(mén)自重改變了管系的荷載平衡，容易發(fā)生振動(dòng)，因此宜將閥門(mén)沿地敷設(shè)，這樣既有利于管道防振，又便于閥門(mén)操作、巡檢、維修。管道宜布置成“步步高”或“步步低”形式，當(dāng)不能避免管道低點(diǎn)時(shí)，應(yīng)增設(shè)低點(diǎn)排液設(shè)施。

3.2.4 合理設(shè)置管道支架

為防止發(fā)生共振，在管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使管系固有頻率避開(kāi)機(jī)組激振頻率和氣柱固有頻率。對(duì)于復(fù)雜的壓縮機(jī)管系，管道的固有頻率分布密集，很難完全避開(kāi)所有共振區(qū)。由于低階共振振幅較大、高階共振振幅較小，因此一般盡量保證管系固有頻率的前三階與機(jī)組激振頻率和氣柱固有頻率的前三階錯(cuò)開(kāi)。

為避免產(chǎn)生低階共振，通常增大管系的固有頻率。當(dāng)管道支架的剛度越大時(shí)，管系的剛度就越大，管系的固有頻率也越大。因此在設(shè)置管道防振支架時(shí)，應(yīng)盡量增大支架的剛度。通常采用生根于堅(jiān)固的混凝土管墩上的防振管卡，且管墩需避開(kāi)壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備的基礎(chǔ)，以防受到壓縮機(jī)振動(dòng)的影響。防振管卡與管道之間襯有無(wú)石棉橡膠墊，可以保證管道與管卡充分接觸，不出現(xiàn)間隙，同時(shí)考慮管道可能產(chǎn)生的熱脹位移，管卡上采用橢圓形螺栓孔。

在管道走向確定的情況下，增加支架數(shù)量和減小支架間距有助于增大管系的剛度。因此通常在彎頭、異徑管等激振力大的管件附近，以及閥門(mén)等有集中質(zhì)量的部位適當(dāng)增設(shè)支架。主管上的分支管(如各級(jí)之間的跨線(xiàn)、放空管、吹掃線(xiàn)、儀表件連接處等)也應(yīng)考慮防振措施，分支連接處應(yīng)設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)措施，DN40及以下口徑的分支管應(yīng)設(shè)置臨管支撐，以防止因主管與分支管振幅不同產(chǎn)生的應(yīng)力造成支管斷裂、儀表測(cè)量不準(zhǔn)等情況。

4 振動(dòng)分析與管線(xiàn)改進(jìn)

在進(jìn)行壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)時(shí)，管道防振設(shè)計(jì)是主要考慮因素，除此之外還要綜合考慮管道投資、管道柔性、廠房?jī)?nèi)操作檢修空間等問(wèn)題。

壓縮機(jī)廠房地面與二層平臺(tái)之間除了有設(shè)備、基礎(chǔ)和管道外，還有比較密集的電纜槽盒和二層平臺(tái)立柱等，當(dāng)附屬設(shè)備布置在廠房?jī)?nèi)時(shí)空間更加緊湊，在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中要尤其注意管道及管道支架的位置是否與設(shè)備、電纜槽盒、結(jié)構(gòu)等有碰撞，以避免對(duì)已完成管道振動(dòng)分析的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。

一般在主要管道布置方案確定后可進(jìn)行管道振動(dòng)分析。管道振動(dòng)分析包括氣流脈動(dòng)分析和機(jī)械振動(dòng)分析。本裝置的壓縮機(jī)主要管道布置如圖3所示。根據(jù)壓縮機(jī)在各最大工況下的氣流脈動(dòng)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在二級(jí)排氣緩沖器出口至二級(jí)冷卻器管段上有部分節(jié)點(diǎn)脈動(dòng)值較大(即圖3中紅色圓圈所示位置)，需要對(duì)二級(jí)排氣緩沖器至二級(jí)冷卻器局部管段變徑(即圖3中高亮部分管道)，因此將該管段管徑由DN200優(yōu)化為DN250，以降低氣流脈動(dòng)，保證機(jī)組的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。根據(jù)機(jī)械振動(dòng)分析結(jié)果，各段管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力都能滿(mǎn)足要求，部分管道增加了防振支架，從而保證各級(jí)進(jìn)氣、排氣管路結(jié)構(gòu)固有頻率滿(mǎn)足要求。

圖3 壓縮機(jī)主要管道布置圖

5 結(jié)語(yǔ)

往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)備平面布置和管道防振設(shè)計(jì)是裝置管道設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要確定壓縮機(jī)廠房的廠房型式、大小和高度等，并根據(jù)機(jī)組型式、大小及工藝流程等，確定壓縮機(jī)附屬設(shè)備的平面布置方案。在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合管道振動(dòng)分析結(jié)果，通常采用合理設(shè)計(jì)緩沖器容積和位置、增設(shè)孔板、合理設(shè)計(jì)管道結(jié)構(gòu)和支架等方式減小管道振動(dòng)。