管道應(yīng)力對(duì)離心式壓縮機(jī)軸振動(dòng)的影響

陳寶冬，邵笑音

（1. 天津市石建工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，天津 300270； 2. 天津天海石化設(shè)備制造有限公司，天津 300356）

管道應(yīng)力對(duì)離心式壓縮機(jī)軸振動(dòng)的影響

陳寶冬1，邵笑音2

（1. 天津市石建工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，天津 300270； 2. 天津天海石化設(shè)備制造有限公司，天津 300356）

武漢石化 80 萬 t/a 乙烯項(xiàng)目線性低密度聚乙烯裝置，離心式循環(huán)氣壓縮機(jī)首次單機(jī)試運(yùn)行，試運(yùn)行期間出現(xiàn)軸承振動(dòng)過大的現(xiàn)象。在其后的現(xiàn)場(chǎng)檢查和技術(shù)分析確定為壓縮機(jī)入口管線存在應(yīng)力，經(jīng)過對(duì)管線進(jìn)行改造后，消除了軸振動(dòng)異常的問題，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

循環(huán)氣壓縮機(jī)；軸振動(dòng)；管道消應(yīng)力；找正

循環(huán)氣壓縮機(jī)是線性低密度聚乙烯裝置的核心設(shè)備，類型為離心式壓縮機(jī)(圖 3)。型號(hào) DH9M，標(biāo)準(zhǔn)流量 414 612 m3/h,輸出功率 4 900 kW，介質(zhì)為烴混合物。

一般來說，管系為三維空間走向，且受力及位移受外界影響較大，但管系承受的主要載荷可分為以下四類：

（1）壓力載荷：可能在幾種不同壓力、溫度組合條件下運(yùn)行的管道。

（2）持續(xù)外載：包括管道基本載荷（管子及其附件的重量、管內(nèi)介質(zhì)重量、管外保溫的重量等）、支吊架的反力、以及其他集中和均布的持續(xù)外載。

（3）熱脹和端點(diǎn)位移：管道由安裝狀態(tài)過渡到運(yùn)行狀態(tài)，由于管內(nèi)介質(zhì)的溫度變化，管道產(chǎn)生熱脹冷縮使之變形；與設(shè)備相連接的管道，由于設(shè)備的溫度變化而出現(xiàn)端點(diǎn)位移，也使管道變形。

（4）偶然性載荷：包括風(fēng)雪載荷、地震載荷、流體沖擊以及安全閥動(dòng)作而產(chǎn)生的沖擊載荷。這些載荷都是偶發(fā)性的臨時(shí)載荷，且與本次所涉及的問題無關(guān)，在這里不予考慮。

1 故障經(jīng)過及現(xiàn)象

循環(huán)氣壓縮機(jī)經(jīng)過前期的單機(jī)試運(yùn)行后進(jìn)入單機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行階段，試運(yùn)在 2009 年 11 月 5 日上午10：18 開始，環(huán)境溫度 5 ℃，設(shè)備啟動(dòng)平穩(wěn)，無明顯噪音及振動(dòng)，壓縮機(jī)入口壓力 0.5 MPa，介質(zhì)溫度 35 ℃。升溫 2 h 左右，達(dá)到 88 ℃的操作工況。整個(gè)試運(yùn)行于 14：10 結(jié)束。試運(yùn)行全程現(xiàn)場(chǎng)狀況平穩(wěn)正常，但通過 DCS的觀察發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的推力軸承振動(dòng)探頭 VZE41003A 的平均振動(dòng)值 36.6 μm 明顯偏大且大于技術(shù)協(xié)議 25 μm 的設(shè)計(jì)值（圖 1）。

圖 1 軸振動(dòng)曲線Fig.1 Shaft vibration curve

2 原因分析

通過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析以及之前幾次試運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，本次運(yùn)轉(zhuǎn)與以往的最大不同在于本次試運(yùn)是在升溫的情況下進(jìn)行的，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境為冬季，管線的熱脹冷縮變形較明顯且運(yùn)行壓力為 0.5 MPa，屬于低負(fù)荷運(yùn)行，所以溫升的影響因素較大。懷疑是由于設(shè)備及管線的溫度升高，產(chǎn)生膨脹導(dǎo)致對(duì)中不準(zhǔn)。

從圖1中可以看出，曲線1在啟動(dòng)之初的振動(dòng)值就大于其他各點(diǎn)，但隨著時(shí)間的推移，曲線逐漸走高。而這段時(shí)間正是管線系統(tǒng)溫度的時(shí)間段。說明管線與壓縮機(jī)之間存在一定的應(yīng)力，而管線的升溫變形使應(yīng)力進(jìn)一步加大，繼而導(dǎo)致壓縮機(jī)的振動(dòng)值偏高。在進(jìn)行了初步的技術(shù)分析后于11月7日對(duì)循環(huán)氣壓縮機(jī)的出入口管線螺栓進(jìn)行了放松以使管線達(dá)到無應(yīng)力狀態(tài)，并對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行了再次的找正，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)比試運(yùn)前偏移，成上開口，（如圖 2） 。結(jié)果表明在熱態(tài)運(yùn)行下管路存在應(yīng)力，且施力方向向上，這就需要對(duì)壓縮機(jī)的入口管線做出一定的調(diào)整。

圖 2 偏移后趨勢(shì)Fig.2 After migration trend

3 管道消應(yīng)力

根據(jù)分析結(jié)果，在壓縮機(jī)不啟動(dòng)的情況下對(duì)管線系統(tǒng)進(jìn)行了升溫，以模仿上次運(yùn)行工況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的檢查發(fā)現(xiàn)，升溫后管線膨脹明顯，總體呈上升狀態(tài)，管線的膨脹節(jié) c（見圖 3）呈伸展趨勢(shì)，說明管線在軸向上拉伸較大，因?yàn)榕蛎浌?jié)南側(cè)管線較長(zhǎng)，且其中支撐點(diǎn)較多，在管線受熱時(shí)并未按照原先設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)想的向壓縮機(jī)一側(cè)膨脹，而是相反方向?qū)芫€進(jìn)行了拉伸,膨脹節(jié)由原有的柔性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂誀顟B(tài)，使其失去了吸收應(yīng)力的作用，從而降低了整個(gè)管線的撓度。支撐膨脹節(jié)和壓縮機(jī)入口的彈簧支架 a、b（見圖 3）的剛度較大，在管線膨脹的過程中并沒有吸收管線因熱脹所產(chǎn)生的形變而是成為了一個(gè)剛性的支撐，當(dāng)管線受熱后會(huì)整體膨脹，但因?yàn)橄路降膹椈芍Ъ躠、b的彈性變形不足，管線向下的膨脹力無法得到吸收，繼而向上運(yùn)動(dòng)，又因膨脹節(jié)失效，所以管線整體上移，導(dǎo)致壓縮機(jī)程上揚(yáng)趨勢(shì)，繼而影響到壓縮機(jī)的軸振動(dòng)升高。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的分析，準(zhǔn)備對(duì)壓縮機(jī)的入口管線做出改造。首先通過千斤頂將管線向壓縮機(jī)方向軸向移動(dòng)（即管線軸向北移），在管線上方增加一個(gè)垂直吊桿d（見圖 3），以分擔(dān)管線重力，使膨脹節(jié)達(dá)到自由狀態(tài)。同時(shí)調(diào)整彈簧支架 a、b使其在冷態(tài)的狀態(tài)下能夠和壓縮機(jī)的入口形成無應(yīng)力。

在整個(gè)對(duì)接的過程中需用千分表對(duì)管線法蘭和壓縮機(jī)的入口法蘭的平行度和垂直度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保整個(gè)對(duì)接在徑向和軸向是無應(yīng)力的，同時(shí)在壓縮機(jī)本體的軸向、徑向及東西水平方向上都打千分表，以觀察管線在上緊螺栓的過程中是否對(duì)壓縮機(jī)存在應(yīng)力影響。（徑向和軸向的千分表基座安裝在壓縮機(jī)的主電機(jī)上，以防止在安裝過程中壓縮機(jī)和主電機(jī)的對(duì)中出現(xiàn)偏差）在安裝完成后對(duì)循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)行了再次運(yùn)轉(zhuǎn)，工況和第一次試運(yùn)相同。

圖 3 壓縮機(jī)改造示意圖Fig.3 Schematic diagram of compressor transformation

4 二次試運(yùn)行

在對(duì)管線進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造和應(yīng)力消除后，于2009 年 11 月 9 日對(duì)循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)行了二次試運(yùn)。并對(duì)上次運(yùn)行中所出現(xiàn)問題的 VZE41003A 軸振動(dòng)異常點(diǎn)作為本次運(yùn)行的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。運(yùn)行結(jié)果如（圖 4）。

圖 4 軸振動(dòng)曲線Fig.4 Shaft vibration curve

由圖我們可以對(duì)比出：首次試運(yùn)時(shí)軸振動(dòng)（圖1）在經(jīng)過管線消應(yīng)力改造后，已經(jīng)由原來的 36.6 μ m 降到了現(xiàn)在的 17.3 μm（圖 4）并且通過前后兩次運(yùn)行的數(shù)據(jù)對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn) 41001A/B 兩點(diǎn)的振動(dòng)值較管線改造之前的 10.4、7.1 μm 變?yōu)楝F(xiàn)在的 8.8、8.2 μm。這兩個(gè)振動(dòng)探頭是在軸兩側(cè)對(duì)稱安裝的，說明管線在經(jīng)過消應(yīng)力改造后，壓縮機(jī)主軸是在一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)下運(yùn)行，沒有發(fā)生偏移的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

通過對(duì)線性低密度聚乙烯裝置循環(huán)氣壓縮機(jī)管線應(yīng)力問題的分析過程和解決方式，我們可以得出：

（1）管線應(yīng)力的存在對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)造成影響。

（2）存在溫升情況的設(shè)備在冬季首次運(yùn)行時(shí)要考慮熱膨脹對(duì)管線形變及設(shè)備對(duì)中的影響。

（3）可以通過合理的改造使膨脹節(jié)和彈簧支架在管道應(yīng)力的吸收上發(fā)揮更大的作用。

（4）本次問題的分析方式和解決方法可以在類似問題發(fā)生時(shí)作為參考，同樣適用于一些大型設(shè)備和機(jī)泵的振動(dòng)診斷及解決。

［1］ 張德姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社,2005-07-01.

［2］王書敏 ，何可禹. 石油化工設(shè)備技術(shù)問答叢書, 離心式壓縮機(jī)技術(shù)問答[M].第二版.北京：中國(guó)石化出版社, 2006-05．

［3］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M]. 北京：中國(guó)石化出版社,2003-12-01．

［4］宋岢苛.工業(yè)管道應(yīng)力分析與工程應(yīng) [M]. 北京：中國(guó)石化出版社2006-05-01.

［5］董其伍,等.過程設(shè)備設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)石化出版社, 2006-05.

Effect of the Pipeline Stress on the Shaft Vibration of Centrifugal Compressors

CHEN Bao-dong1，SHAO Xiao-yin2
（1. Tianjin Shijian Engineering Construction Supervision Co., Ltd.,Tianjin 300270，China；2. Tianjin Haitian Petrochemical Equipment Manufacturing Co., Ltd.,Tianjin 300356，China）

In linear low density polyethylene unit of 800 kt/a ethylene project in Wuhan Petrochemical company, intense vibration phenomenon of the bearing in the centrifugal circulating compressor appeared during the first trial operation. On-site inspection and technical analysis proved that the pipeline stress at the compressor entrance was main reason to cause the vibration phenomenon. After transformation of the pipeline, the abnormal shaft vibration problem was eliminated.

Circulating air compressor; Shaft vibration; The pipeline stress relieving; Alignment

TQ 050

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1247-02

2013-11-21

陳寶冬（1983-），男，安徽安慶人，助理工程師，2007 年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)校過程裝備專業(yè)，研究工程安裝及監(jiān)理：從事工程安裝及監(jiān)理工作。E-mail：chbd_8310@163.com。