往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)

楊兆祥

(中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510000)

壓縮機(jī)作為石油化工裝置的核心設(shè)備，若管線的布置與規(guī)劃不合理，會(huì)引起振動(dòng)問(wèn)題，振動(dòng)可能產(chǎn)生在壓縮機(jī)的不同部位，有害振動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)在氣缸，緩沖器，氣油分離器，管道，支架和基座等部位以及液面監(jiān)視窗，浮標(biāo)和溫度儀等小口徑分支，很容易出現(xiàn)斷裂，甚至造成氣體泄漏，有害振動(dòng)會(huì)對(duì)壓縮機(jī)及其他部件造成過(guò)高應(yīng)力，因而導(dǎo)致疲勞破壞，如管道，管口和油氣分離器破裂；管道夾具和螺栓破損；曲軸斷裂；壓縮機(jī)站失火等。損壞的部件因部位的不同，會(huì)導(dǎo)致少則數(shù)天多則數(shù)月的非計(jì)劃停產(chǎn)，更換主軸或緩沖器等重要部件常需數(shù)個(gè)星期，與之相關(guān)的維修費(fèi)用及停產(chǎn)損失會(huì)使用戶蒙受巨大損失，有些時(shí)候，一個(gè)小小的振動(dòng)會(huì)引起連鎖反應(yīng)，忽視振動(dòng)問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致巨大的安全隱患，以及同樣巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

本文結(jié)合某廠210萬(wàn)t/a加氫處理裝置中所用的新氫壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了歸納，并對(duì)遇到的設(shè)備布置與管道設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)常用管道設(shè)計(jì)規(guī)范

為了處理好管內(nèi)流體脈動(dòng)或激振力引起的振動(dòng)問(wèn)題，在往復(fù)式壓縮機(jī)的配管設(shè)計(jì)中，應(yīng)滿足一些適用于壓縮機(jī)的設(shè)備布置與管道布置的設(shè)計(jì)規(guī)范。另外，為了更好的解決或避免管線振動(dòng)問(wèn)題，除了對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)出口管線進(jìn)行常規(guī)的一次應(yīng)力與柔性分析外，還需要采用相應(yīng)的振動(dòng)分析規(guī)范對(duì)管路進(jìn)行振動(dòng)分析。

1.1 設(shè)備布置與管道布置規(guī)范

SH3011-2011在其5.10章節(jié)對(duì)壓縮機(jī)的布置做了專(zhuān)門(mén)的規(guī)范要求。適用于往復(fù)式壓縮機(jī)的主要的要求為[1]：壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備的布置應(yīng)滿足制造廠的要求；壓縮機(jī)附屬設(shè)備宜靠近機(jī)組布置；可燃?xì)怏w壓縮機(jī)的布置及廠房設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)定(詳見(jiàn)規(guī)范中5.10.3條)；往復(fù)式壓縮機(jī)安裝高度除滿足該規(guī)范的5.10.5條規(guī)定外，為了減少振動(dòng)，安裝高度應(yīng)降低；壓縮機(jī)吊裝機(jī)的選用應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)定(詳見(jiàn)規(guī)范中5.10.10條)；壓縮機(jī)的基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)與廠房結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)分開(kāi)，等等。

SH3012-2011在其5.9章節(jié)對(duì)壓縮機(jī)的管道布置做了專(zhuān)門(mén)的規(guī)范要求。適用于往復(fù)式壓縮機(jī)的主要要求為[2]：壓縮機(jī)周?chē)墓艿啦贾貌粦?yīng)影響壓縮機(jī)的的吊裝與檢修，并留有相應(yīng)的檢修空間；壓縮機(jī)進(jìn)出口管道布置在滿足管道柔性及管口的作用力和力矩的條件下，應(yīng)使管道短，彎頭數(shù)量少；往復(fù)式壓縮機(jī)入口過(guò)濾器布置要求(詳見(jiàn)規(guī)范中5.93條)；往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)分析，并應(yīng)使管道的固有頻率避開(kāi)管道的氣柱固有頻率計(jì)及機(jī)器的激振頻率(相應(yīng)的措施見(jiàn)規(guī)范中5.94條)；往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)口管道布置要求(詳見(jiàn)規(guī)范中5.95條)；往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道宜沿地面敷設(shè)，并增加管架的剛度。

SH3059-2012對(duì)含有氫氣管線材質(zhì)選擇規(guī)定如下：對(duì)操作溫度等于或高于200℃，介質(zhì)中含有氫氣的碳鋼和合金鋼管道，應(yīng)根據(jù)管道最高操作溫度加20～40℃的裕量和介質(zhì)中氫氣的分壓，根據(jù)Nelson曲線選擇合適的抗氫材料。

1.2 管道柔性設(shè)計(jì)與振動(dòng)分析規(guī)范

SH3041-2002中2.12條中規(guī)定往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管線應(yīng)進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮流體壓力脈動(dòng)的影響。

GB50316-2000(2008版)中第9章節(jié)為金屬管道的柔性設(shè)計(jì)規(guī)定，第10章節(jié)為管道支吊架設(shè)計(jì)規(guī)定。該規(guī)范9.61條中提供的常用的改善管道柔性方法為：調(diào)整支吊架的形式與位置或改變管道走向。

振動(dòng)分析常用標(biāo)準(zhǔn)為API618 。API618-2007中7.9章節(jié)提出了三種進(jìn)行脈動(dòng)分析的方法。制造廠多使用第三種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行脈動(dòng)分析。第三種設(shè)計(jì)方法為聲學(xué)模擬和管路約束力分析，加上力學(xué)分析(若有必要進(jìn)行帶強(qiáng)制機(jī)械響應(yīng)的分析)。API618中對(duì)管路設(shè)計(jì)振動(dòng)量限制如下：對(duì)頻率低于10Hz的許用振幅為0.5mm；對(duì)頻率在10到200Hz的許用振動(dòng)速度為32mm/s(峰-峰值).

郭文濤[3]認(rèn)為：API618第五版較第四版能提供更多的關(guān)于脈動(dòng)分析與振動(dòng)控制的判定依據(jù)，但API618給出的準(zhǔn)則為往復(fù)式壓縮機(jī)的最低要求；考慮到工程風(fēng)險(xiǎn)，需要業(yè)主、設(shè)計(jì)方、制造商進(jìn)行協(xié)調(diào)以確認(rèn)相互認(rèn)可的判定值。

孫樹(shù)福等人[4]在其文章中介紹了往復(fù)壓縮機(jī)管線振動(dòng)分析的流程，其在振動(dòng)分析中傾向于采用《容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)》中所推薦的雙振幅圖譜(見(jiàn)下圖1)，其認(rèn)為采用這種判定方法是考慮到了振動(dòng)對(duì)機(jī)組的嚴(yán)重危害性。

《容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)》給出圖1所示的數(shù)據(jù)使用條件為[5]：適用于一般制造良好的管道，對(duì)要求嚴(yán)格的管道或安裝有未緊固的支管等情況，需要另外考慮。

圖1 管道振幅(雙)的許用值和危險(xiǎn)值

上圖1中，線1為平均感覺(jué)界限，線2為設(shè)計(jì)，線3為介于兩者之間，4線為要修改，5線為危險(xiǎn)。

2 設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題探討

該原料加氫處理裝置中所用的往復(fù)式新氫壓縮機(jī)型號(hào)為：4M125-35.9/24-185-BX。按照工藝PID，該型號(hào)壓縮機(jī)在原料加氫裝置中使用三臺(tái)，兩開(kāi)一備。該壓縮機(jī)編號(hào)為C4201A/B/C，每臺(tái)壓縮機(jī)都有一個(gè)獨(dú)立的一級(jí)入口分液罐；三臺(tái)壓縮機(jī)的出口最后合并為一根管線后接入同在壓縮機(jī)廠房的循環(huán)氫機(jī)出口管線中。

2.1 設(shè)備與廠房布置

壓縮機(jī)機(jī)型比較大的時(shí)候，常采用二層平臺(tái)布置，這樣做不僅便于壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備的檢修與吊裝，也便于機(jī)組附近的廠家所帶管線的日常維護(hù)操作。

二層平臺(tái)布置增加了廠房?jī)?nèi)的結(jié)構(gòu)立柱。限于SH3011中對(duì)壓縮機(jī)主機(jī)基礎(chǔ)與廠房結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)分開(kāi)的要求，若壓縮機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或設(shè)備布置不合理，在機(jī)組附近增加立柱常有一定難度。因而詳細(xì)設(shè)計(jì)階段中的壓縮機(jī)設(shè)備布置，宜考慮留出支撐二層平臺(tái)的結(jié)構(gòu)立柱空間，同時(shí)考慮留出地下管線的布置空間，這樣可減少設(shè)備位置的再次調(diào)整。壓縮機(jī)的附屬設(shè)備的布置通常有兩種主流形式[6]：一種是將分液罐和冷凝器布置在壓縮機(jī)棚/廠房外；另一種是分液罐和冷凝器布置在壓縮機(jī)棚/廠房?jī)?nèi)，兩種布置方式見(jiàn)圖2。本裝置采用將分液罐和換熱器放在廠房外的布置方式。

廠房軌頂高度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)壓縮機(jī)機(jī)體情況，取行車(chē)越過(guò)障礙物的高度為11000mm。采用吊鉤到吊件距離與被吊部件高度累加的計(jì)算方法(這種計(jì)算方法比吊鉤加起吊板計(jì)算的高度更高)。采用表1計(jì)算出的廠房高度，實(shí)際起吊檢修件的時(shí)候可以采用吊鉤加起吊件方式或使用吊鉤加起吊板方式。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提給土建專(zhuān)業(yè)的廠房軌頂高度取15.5m。

表1 廠房軌頂高度計(jì)算

本裝置中檢修區(qū)留有一處，吊裝孔在新氫機(jī)與循環(huán)氫機(jī)之間。根據(jù)最大檢修部件大小，將檢修區(qū)定為為6m長(zhǎng)5m寬；為便于吊裝部件的進(jìn)出，吊裝孔大小為6m長(zhǎng)6m寬。

2.2 管道設(shè)計(jì)

本裝置中除三級(jí)出口溫度達(dá)到124℃以外，其他各級(jí)進(jìn)出口管線溫度都不高。因而三級(jí)出口管線和三級(jí)出口返回線的管道設(shè)計(jì)可以作為管線柔性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

在本裝置設(shè)計(jì)中，三級(jí)出入口的管道設(shè)計(jì)為規(guī)劃方案反復(fù)修改的重點(diǎn)。新氫壓縮機(jī)的機(jī)體分別有兩個(gè)三級(jí)入口和兩個(gè)三級(jí)出口氣缸。機(jī)身三級(jí)入口接管管徑為DN200，三級(jí)出口接管管徑為DN150.三級(jí)出入口的氣缸距離地面較高，因而在該級(jí)出入口管線的立管上有設(shè)置防振管卡的必要。在立管上設(shè)置防振管卡，其管墩的基礎(chǔ)應(yīng)避開(kāi)廠房結(jié)構(gòu)立柱基礎(chǔ)或壓縮機(jī)基礎(chǔ)。在與土建專(zhuān)業(yè)以及地管專(zhuān)業(yè)溝通后，才能更好的完成此處的管線布置。

關(guān)于三臺(tái)壓縮機(jī)三級(jí)出口匯合方式，避免采用兩兩分支直接正對(duì)匯合，這樣會(huì)使管線內(nèi)氣柱發(fā)生碰撞，增大管系振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，理想狀態(tài)是將一支作為主管，其它兩支順介質(zhì)流向45度斜接至主管，因壓力較高，45度斜接比較難實(shí)現(xiàn)，本裝置采用直三通側(cè)面匯合方式。因管架剛度較小，匯合之后的主管不宜直接上管架，應(yīng)沿地面走盡可能長(zhǎng)的距離，沿地敷設(shè)管墩，設(shè)置防振管卡。

廠家選定的一級(jí)入口過(guò)濾器為Y型過(guò)濾器(DN250)。本裝置中將過(guò)濾器放在了靠近壓縮機(jī)一級(jí)入口管嘴處。這樣布置便于在二層平臺(tái)下進(jìn)行過(guò)濾器的抽芯等日常操作。

2.3 管道支架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)方發(fā)振動(dòng)分析委托給制造廠，由制造廠負(fù)責(zé)管道的振動(dòng)分析。以沈陽(yáng)鼓風(fēng)集團(tuán)為例，其振動(dòng)分析采用API618的設(shè)計(jì)方法3。其在對(duì)壓縮機(jī)管道進(jìn)行振動(dòng)分析前，會(huì)對(duì)管線進(jìn)行一次應(yīng)力與二次應(yīng)力的分析。

根據(jù)廠家的振動(dòng)分析結(jié)果，部分管卡的位置需要調(diào)整，三級(jí)出口管線和一級(jí)返回線上機(jī)前管橋的管卡位置與型號(hào)需要進(jìn)一步優(yōu)化。從返回結(jié)果看，溫度高的三級(jí)出口要注意不要超過(guò)管道的柔性設(shè)計(jì)要求，支架的選擇要合理；一些架空的管線要加上一些防振管卡，以免發(fā)生一些低頻率的振動(dòng)。與制造廠設(shè)計(jì)人員溝通商議后，一級(jí)出口返回線去管橋方向上增加一個(gè)防振管卡；三級(jí)出口管線合并前，每臺(tái)新氫壓縮機(jī)三級(jí)出口管線的立管上增加一個(gè)防振管卡；但是其振動(dòng)分析返回結(jié)果還是要求這些管線全都采用防振管卡形式。

根據(jù)廠家的振動(dòng)分析結(jié)果，廠家要求在一些管線支架處增加止推?，F(xiàn)有的往復(fù)式壓縮機(jī)的管道支架多采用防振管卡。嚴(yán)格意義上講，這些管卡多為有防振作用導(dǎo)向管卡，只有個(gè)別防振管卡為用于固定的管卡?？梢?jiàn)要重視在防振管卡上增加止推管卡的設(shè)計(jì)。

3 小結(jié)

(1)往復(fù)式壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)應(yīng)滿足針對(duì)壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)與防振規(guī)范。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)設(shè)計(jì)院自己編制的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也可作為設(shè)計(jì)的規(guī)范依據(jù)。

(2)在設(shè)計(jì)前期，若對(duì)管線和支架進(jìn)行合理的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，并綜合考慮土建專(zhuān)業(yè)的結(jié)與地管專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)對(duì)所規(guī)劃的管線的影響，利于減少后續(xù)的振動(dòng)分析以及與土建地管等委托的前后溝通的改動(dòng)量，提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

(3)從制造廠振動(dòng)分析的結(jié)果來(lái)看，主要管線(不包括管線的儀表件，管徑較小的放空線等)與其支架位置為設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，因而宜結(jié)合具體的裝置布置情況，重點(diǎn)對(duì)主要管線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并及時(shí)與制造廠振動(dòng)分析人員進(jìn)行溝通。一些在立管上布置的防振支架，高度可以與制造廠進(jìn)行溝通，盡量降到二層平臺(tái)以下；一些防振支架，在廠家振動(dòng)分析計(jì)算后可以取消的應(yīng)及時(shí)取消，減少管墩用量。

(4)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)一些小直徑管線的剛度與防振問(wèn)題要加以重視，對(duì)一些管線可能增加止推管卡的情況要加以考慮。