離心式LNG壓縮機(jī)出口管路振動(dòng)問題分析及解決方案

王利勇，趙錚

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 設(shè)計(jì)信息

機(jī)組為兩段7 級(jí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪箱增速，采用公共底座。壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速8144r/min，一段進(jìn)氣壓力0.275MPa（A），溫度40℃，流量71561Nm3/h，二段出口壓力4.1MPa（A），溫度125.6℃，流量67856Nm3/h，中間沒有抽加氣。

2 排查方向

鑒于壓縮機(jī)軸振動(dòng)值及管路振動(dòng)均明顯偏大，首先判斷是壓縮機(jī)振動(dòng)后引起的管路振動(dòng)，還是管路振動(dòng)后引發(fā)壓縮機(jī)振動(dòng)。

（1）核算壓縮機(jī)性能，確認(rèn)壓縮機(jī)是否在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，是否發(fā)生了喘振等現(xiàn)象。

（2）復(fù)查壓縮機(jī)運(yùn)行趨勢，查看振動(dòng)是否與轉(zhuǎn)速、壓力等因素有直接關(guān)系。

（3）核算壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行氣動(dòng)及力學(xué)分析。

（4）振動(dòng)明顯的管路上取多點(diǎn)實(shí)測振動(dòng)情況。

（5）復(fù)查管路設(shè)計(jì)及安裝情況。管路設(shè)計(jì)應(yīng)力是否達(dá)標(biāo)、管路支撐設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。

（6）如條件允許，對(duì)壓縮機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行頻譜實(shí)測。

3 復(fù)查核算結(jié)果

（1）核算壓縮機(jī)性能已達(dá)設(shè)計(jì)負(fù)荷的90%，壓縮機(jī)理論計(jì)算及實(shí)際均未發(fā)生喘振，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行氣源條件略偏設(shè)計(jì)，但不是造成壓縮機(jī)振動(dòng)的總要原因。

（2）復(fù)查運(yùn)行趨勢，當(dāng)二段出口壓力低于0.3MPa（A）時(shí)，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端兩點(diǎn)振幅也有波動(dòng)的情況，但波動(dòng)時(shí)間跨度較長。當(dāng)壓縮機(jī)二段出口高于0.3MPa（A）時(shí)，驅(qū)動(dòng)端兩點(diǎn)振幅明顯增大，隨著壓力提升一度達(dá)到報(bào)警值，此時(shí)，非驅(qū)動(dòng)端兩點(diǎn)振動(dòng)也有明顯的波動(dòng)情況，但波動(dòng)幅度較小。通過運(yùn)行趨勢初判，機(jī)械試車振動(dòng)值合格，說明轉(zhuǎn)子自身平衡不存在問題。雖然隨著轉(zhuǎn)速的提升，振動(dòng)值也有明顯增大的趨勢，但是總體振動(dòng)與壓力存在一定關(guān)系，且現(xiàn)場曾進(jìn)行降低轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)，此時(shí)振動(dòng)值仍然偏大，具體需深入分析。

（3）核算轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性無問題，通過力學(xué)及氣動(dòng)方面核算，壓縮機(jī)上轉(zhuǎn)子、葉輪、隔板方面設(shè)計(jì)上不存在問題，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上合理不存在頻率干涉問題。通過上述核算證明壓縮機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)滿足API617 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。從此暫可排除壓縮機(jī)原設(shè)計(jì)氣動(dòng)及力學(xué)上的原因造成壓縮機(jī)振動(dòng)。

（4）現(xiàn)場采用手持式測振儀，在壓縮機(jī)風(fēng)筒法蘭處至二段出口冷卻器間管路多點(diǎn)復(fù)測，遠(yuǎn)離二段出口法蘭處的測點(diǎn)振動(dòng)值越大，振動(dòng)速度（10～40mm/s）。

（5）復(fù)查管路安裝情況，發(fā)現(xiàn)管路彈簧支架設(shè)計(jì)存在問題及螺栓松動(dòng)。其中，限位支架與彈簧支架存在2mm 間隙；核算管路應(yīng)力存在問題，核算二段管路管口對(duì)壓縮機(jī)風(fēng)筒的作用載荷，當(dāng)二段出口壓力低于0.3MPa（A）時(shí)，管路對(duì)壓縮機(jī)的作用載荷小于壓縮機(jī)許用值，此時(shí)不會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成影響（2FC+MC=33.19）；當(dāng)二段出口壓力高于0.3MPa（A）時(shí)，隨著壓力及溫度的升高，管路對(duì)壓縮機(jī)的作用載荷明顯增大，壓縮機(jī)達(dá)到工作狀態(tài)時(shí)，已超出壓縮機(jī)承受范圍（超出了API617 要求值，2FC+MC=147.99）。另一段與二段管路同用一個(gè)龍門支架。

（6）壓縮機(jī)風(fēng)筒法蘭至第一個(gè)90°彎頭間的直管段較短（約700mm 左右），實(shí)際管道口徑DN250，此時(shí)核算管道內(nèi)介質(zhì)流速14.77m/s，此時(shí)流速相對(duì)較高，根據(jù)以往工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，流速一般最好控制在10m/s 左右。壓縮后高溫高壓氣體流速較高，有可能會(huì)對(duì)該段管路造成沖擊或者排氣不暢的情況。

（7）通過現(xiàn)場頻譜實(shí)測，間隙電壓方面：振動(dòng)值的波動(dòng)伴隨著間隙電壓的波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)端相對(duì)于非驅(qū)端較為明顯。驅(qū)動(dòng)端間隙電壓波動(dòng)的情況說明轉(zhuǎn)子在驅(qū)動(dòng)端受到外界不利因素的影響造成轉(zhuǎn)子運(yùn)行失穩(wěn)，說明了振動(dòng)波動(dòng)真實(shí)存在。頻譜方面：驅(qū)動(dòng)端兩側(cè)點(diǎn)均有能量較高的低頻帶，這是造成該側(cè)振值偏大的因素之一。對(duì)比振動(dòng)值的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)端4.88Hz 和24.4Hz 是造成振動(dòng)值波動(dòng)的根本原因。查看波形與軸心軌跡，振值在最高點(diǎn)與最低點(diǎn)軸心軌跡發(fā)散，重復(fù)性不好。

4 振動(dòng)原因判定

排除壓縮機(jī)發(fā)生喘振造成振動(dòng)大，排除壓縮機(jī)自身氣動(dòng)及力學(xué)設(shè)計(jì)上問題造成振動(dòng)大，排除壓縮機(jī)因轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性差發(fā)生激振導(dǎo)致振動(dòng)大，排除壓縮機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致頻率干涉問題引起的振動(dòng)大。通過核算壓縮機(jī)方面沒有造成振動(dòng)的因素，故判斷壓縮機(jī)振動(dòng)原因是管路振動(dòng)引起。

通過頻譜分析初判壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)頻率中的低頻成分與二段出口管路的振動(dòng)有關(guān)，但無法判斷造成管路振動(dòng)的根本原因，但通過核算管路應(yīng)力、管路對(duì)壓縮機(jī)作用載荷，管路介質(zhì)流速、管路支撐與限位支撐均存在問題，需要重新核算整改。

5 管路振動(dòng)分析及處理建議

5.1 管道內(nèi)介質(zhì)流速超標(biāo)問題

由于管道內(nèi)介質(zhì)流速高，對(duì)管路造成一定沖擊，建議將二段出口管路由DN250 更改為DN300；第一個(gè)直管段較短，經(jīng)驗(yàn)上高溫高壓氣體在700mm 短的通道內(nèi)極速改變流動(dòng)方向，不利于穩(wěn)定運(yùn)行，建議將第一個(gè)直管段由700mm更改為1000mm 以上。更改后，壓縮機(jī)整體受理校核結(jié)果：2FC+MC=112.07。核算結(jié)果雖然略高于API617 規(guī)范要求，但根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 管路支撐不達(dá)標(biāo)問題

（1）現(xiàn)場4 個(gè)管道的支架均生根到一個(gè)結(jié)構(gòu)梁上。由于管道內(nèi)介質(zhì)是動(dòng)態(tài)的，因此管道不可避免的會(huì)隨著介質(zhì)的流動(dòng)發(fā)生一定的振動(dòng)情況。如果所有管道均生根在1 個(gè)結(jié)構(gòu)梁上，振動(dòng)會(huì)隨著結(jié)構(gòu)梁傳動(dòng)，造成管路振動(dòng)加劇。根據(jù)相關(guān)振動(dòng)理論，振動(dòng)會(huì)向整個(gè)結(jié)構(gòu)中剛度最低的系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，結(jié)合該項(xiàng)目的具體情況，振動(dòng)一定會(huì)向末段出氣管路傳遞。因此建議將4 個(gè)彈簧支架單獨(dú)做鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，避免管道之間互相影響。理論核算龍門支架會(huì)發(fā)生一定變形，實(shí)際同樣發(fā)生了一定變形。其中4 個(gè)彈簧支撐的作用點(diǎn)變形量分別為：一段進(jìn)氣支撐—0.203mm，一段出氣支撐—0.179mm，二段進(jìn)氣支撐—0.481mm，二段出氣支撐—0.477mm。而根據(jù)計(jì)算的4 個(gè)彈簧在工作狀態(tài)的變形量分別為：一段進(jìn)氣彈簧變形量—0.113mm，一段出氣彈簧變形量0.092mm，二段進(jìn)氣彈簧變形量0.375mm，二段出氣彈簧變形量1.091mm。生根變形量帶入模型重新進(jìn)行了計(jì)算，此時(shí)4 個(gè)彈簧支撐發(fā)生了脫空現(xiàn)象，即由于彈簧支撐的生根梁發(fā)生了變形，造成4 個(gè)彈簧支撐未能起到設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期。建議將門型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置斜撐以增加支撐剛度，如果條件允許，最好在橫梁中部設(shè)置立柱防止橫梁發(fā)生變形。

（2）壓縮機(jī)各進(jìn)出氣風(fēng)筒外側(cè)第一個(gè)豎直管下方設(shè)計(jì)了4 個(gè)彈簧限位支架，設(shè)計(jì)期望通過限位，實(shí)現(xiàn)管道由于溫度產(chǎn)生的荷載不會(huì)傳遞至壓縮機(jī)上。而現(xiàn)場實(shí)際也是通過一個(gè)門型鋼結(jié)構(gòu)支架以實(shí)現(xiàn)限位作用。同樣根據(jù)現(xiàn)場提供的鋼結(jié)構(gòu)型號(hào)進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算。實(shí)際4 個(gè)限位荷載點(diǎn)的變形量分別為（門型鋼結(jié)構(gòu)）：一段進(jìn)氣8.741mm，一段出氣6.798mm，二段進(jìn)氣9.743mm，二段出氣9.367mm。而根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的管路應(yīng)力分析結(jié)果，這4 個(gè)點(diǎn)的溫度變形分別為（限位支架）：一段進(jìn)氣：0.968mm，一段出氣6.399mm，二段進(jìn)氣1.359mm，二段出氣6.372mm。在限位荷載的作用下，限位鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形量大于溫度變形，該鋼結(jié)構(gòu)未能起到設(shè)計(jì)預(yù)期的限位作用。建議在限位橫梁鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)立面之間增設(shè)剛性支撐，減小限位鋼結(jié)構(gòu)的支腿變形。并在限位支腿處4 個(gè)方向設(shè)置斜拉筋，防止限位鋼板發(fā)生變形。同時(shí)，將限位支腿鋼板與鋼結(jié)構(gòu)橫梁之間的間隙利用橡膠或鋼板填塞，同時(shí)利用螺栓緊固，確保鋼板與橫梁之間無間隙。

（3）根據(jù)上述現(xiàn)場實(shí)際的情況進(jìn)行了應(yīng)力分析，建立模型與現(xiàn)場實(shí)際的情況保持一致，校核結(jié)果：2FC+MC=240.56，超出API 要求值，故得出結(jié)論，壓縮機(jī)組的振動(dòng)應(yīng)該是由于管路作用在壓縮機(jī)各進(jìn)出氣風(fēng)筒法蘭上荷載的合力、合力矩超出了標(biāo)準(zhǔn)2.4 倍要求。而該荷載較大的原因是由于現(xiàn)場的支架生根剛度不足，沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期的效果造成的。更改后所有支架符合計(jì)算模型要求時(shí)，整機(jī)校核結(jié)果：2FC+MC=100.34，雖然也略超出規(guī)范要求，但根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以滿足壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

6 機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)情況

經(jīng)過10 天對(duì)氣管路及管路支撐的更改，壓縮機(jī)重新投產(chǎn)運(yùn)行，振動(dòng)值均在25.4u 以下，二段出口管路振動(dòng)明顯下降，振動(dòng)振幅15mm/s 以下，機(jī)組一直平穩(wěn)運(yùn)行。

7 結(jié)語

該壓縮機(jī)組發(fā)生振動(dòng)原因：管路應(yīng)力、管路支撐設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)，實(shí)際管路支撐安裝存在一定問題。氣流對(duì)管路存在一定沖擊，氣流頻率與管路固有頻率接近，容易引發(fā)共振問題造成管路振動(dòng)偏大，引發(fā)壓縮機(jī)振動(dòng)。管路應(yīng)力不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致管路管口對(duì)壓縮機(jī)風(fēng)筒作用載荷變大，隨壓力溫度的提升效果更佳劇烈，管路管口對(duì)壓縮機(jī)整機(jī)反作用載荷超標(biāo)造成管路振動(dòng)大，引發(fā)壓縮機(jī)振動(dòng)。管路支撐設(shè)計(jì)存在問題及實(shí)際支撐安裝存在問題，管路內(nèi)介質(zhì)氣高速流動(dòng)，管路不能得到充分的支撐或限位，管路易發(fā)生振動(dòng)，引發(fā)壓縮機(jī)振動(dòng)。