往復(fù)式壓縮機(jī)工程設(shè)計(jì)中的問(wèn)題探討

王海彬

（惠生工程中國(guó)有限公司，上海 201210）

在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)流量比較小，出口壓力比較高的壓縮機(jī)易選擇往復(fù)式壓縮機(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)使用壓力范圍廣、壓比大、熱效率高、氣密性相當(dāng)好，連續(xù)使用的故障低。根據(jù)這些特性如：高壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)、高壓氫氣壓縮機(jī)等都選用往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)型。然而在實(shí)際使用過(guò)程中往復(fù)式壓縮機(jī)存在著振動(dòng)大，噪聲高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜易損件多，維修量大等問(wèn)題。振動(dòng)在往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中是非常復(fù)雜的事情，也是工程設(shè)計(jì)中非常頭疼的問(wèn)題，一但與之相接的進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)不合理就會(huì)加大壓縮機(jī)的振動(dòng)甚至還會(huì)引起共振，直接影響到壓縮機(jī)的性能及使用壽命；同時(shí)將造成相連管道的疲勞損傷、保溫材料破損、儀表導(dǎo)管損壞及控制系統(tǒng)的誤操作等，輕則造成局部泄漏，重則引起爆炸。

1 振源分析及防振措施

往復(fù)壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)是活塞在氣缸中進(jìn)行周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起呈間歇性和周期性吸排氣，管內(nèi)氣體處于脈動(dòng)狀態(tài)，管內(nèi)氣體的壓力、流速、密度等不但隨位置變化，而且隨時(shí)間作周期性變化，這種現(xiàn)象稱為氣流脈動(dòng)[1]。管內(nèi)脈動(dòng)氣體遇到彎頭、異徑管、控制閥、等管件后將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的激振力，受此激振力的作用，管道產(chǎn)生振動(dòng)。管道產(chǎn)生振動(dòng)的振源主要是管內(nèi)氣體的壓力脈動(dòng)。

由于壓力脈動(dòng)始終存在，因此往復(fù)壓縮機(jī)管道在允許范圍內(nèi)存在某種程度的振動(dòng)是正?，F(xiàn)象，但應(yīng)該避免發(fā)生劇烈振動(dòng)，否則可能導(dǎo)致管道的疲勞損傷，尤其可能使小口徑管道損壞；管道保溫材料的破損；測(cè)量?jī)x表及導(dǎo)管的損壞和控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作；管道的擺動(dòng)或振動(dòng)以及噪聲對(duì)人的影響等[2]。引起管道發(fā)生劇烈振動(dòng)的主要原因有兩個(gè)：一是氣體壓力脈動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致激振力過(guò)大，振動(dòng)的頻率越高，管道振動(dòng)的幅值及應(yīng)力越大，則振動(dòng)越大?？赡茉斐蓺怏w壓力脈動(dòng)過(guò)大的因素是，土建基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有誤差、緩沖罐設(shè)計(jì)過(guò)小、管內(nèi)氣柱發(fā)生共振。二是管道本身發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，管道本身發(fā)生共振的原因則是管道結(jié)構(gòu)固有頻率與往復(fù)式壓縮機(jī)激振力頻率過(guò)于接近或相等時(shí)，共振使管道振動(dòng)急增，相關(guān)管線產(chǎn)生較大的位移。

為了降低管道內(nèi)氣體壓力波動(dòng)和避免管道發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，可采取以下措施減小管道的振動(dòng)：管道與壓縮機(jī)之間采用柔性接頭連接；增加孔板；合理設(shè)置緩沖罐，位置越接近壓縮機(jī)的管嘴效果越好；減少?gòu)濐^數(shù)量，增大管徑和壁厚，合理設(shè)置大半徑彎頭；增設(shè)防振支架或簧支架；通過(guò)計(jì)算使氣體脈動(dòng)頻率、管道的結(jié)構(gòu)頻率與激振力頻率錯(cuò)開(kāi)。

2 管道設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

1）在做壓縮機(jī)工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先要與壓縮機(jī)制造廠明確分工。明確制造廠與設(shè)計(jì)院之間各負(fù)的責(zé)任，壓縮機(jī)機(jī)各級(jí)間的管道配管及相應(yīng)支架的設(shè)計(jì)由壓縮機(jī)制造廠商負(fù)責(zé)，而壓縮機(jī)的進(jìn)出口管道和與之配套公用工程管道由設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)。往復(fù)式壓縮機(jī)的管系需提交壓縮機(jī)廠商做脈動(dòng)分析，根據(jù)API-618規(guī)定采用何種脈動(dòng)分析方法由雙方協(xié)商決定。壓縮機(jī)制造廠商提供的各級(jí)間配管方案，包括各級(jí)間換熱器的布置方式需反饋給設(shè)計(jì)院進(jìn)行審查，設(shè)計(jì)院可根據(jù)實(shí)際情況提出修改意見(jiàn)，并有責(zé)任與制造廠商就修改意見(jiàn)達(dá)成一致。

2）其次，管道設(shè)計(jì)專業(yè)要與管道應(yīng)力專業(yè)明確分工。在進(jìn)出口管道的初步走向確定后，管道應(yīng)力專業(yè)應(yīng)通過(guò)CAESER II工具對(duì)管道布置及支架設(shè)置方案進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，判斷其是否滿足工藝配管規(guī)范的要求。若靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果不滿足規(guī)范要求，則需要對(duì)初步的管道布置和支架設(shè)置方案提出修改，直至滿足規(guī)范要求為止。初步的管道布置和支架設(shè)置方案經(jīng)靜態(tài)應(yīng)力分析確認(rèn)后，通常需要提交壓縮機(jī)制造廠商再確認(rèn)，同時(shí)對(duì)于壓縮機(jī)制造廠商提出的修改意見(jiàn)，需與壓縮機(jī)制造廠商進(jìn)一步溝通，直至完全一致為止。

3）應(yīng)采用或參照已有成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的管道布置實(shí)例。

4）壓縮機(jī)兩側(cè)及后方電機(jī)側(cè)應(yīng)留有至少2m的檢維修空間，其周圍在管道布置時(shí)必須考慮壓縮機(jī)部件在檢維修時(shí)能方便的吊裝。

5）壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的布置在滿足管口的作用力和力矩的條件下，應(yīng)使管道布置短而直，盡量減少?gòu)濐^數(shù)量，但出口管道有熱脹時(shí)，應(yīng)使管道具有柔性。

6）壓縮機(jī)進(jìn)口管道的過(guò)濾器宜設(shè)置在水平管道上，且應(yīng)安裝在靠近管嘴處，若設(shè)置臨時(shí)過(guò)濾器，在進(jìn)口管道上應(yīng)設(shè)置一段可拆卸短管，且在此短管上不宜設(shè)置儀表管口和分支。

7）壓縮機(jī)進(jìn)口管道宜有坡度，并坡向進(jìn)口分液罐或進(jìn)口集合管，管道宜從集合管頂部引出。壓縮機(jī)各段間冷卻器和分離罐的管道宜設(shè)坡度，并坡向分離罐。

8）由于出口排氣管管內(nèi)氣體脈動(dòng)引起的壓力及流速波動(dòng)變化較大，因此當(dāng)采用柔性連接時(shí)不宜設(shè)置波形膨脹節(jié)。

9）壓縮機(jī)系統(tǒng)中排向大氣的放空管道，排放無(wú)毒非可燃?xì)怏w時(shí)，如空氣其放空口頂部應(yīng)高出鄰近平臺(tái)或建（構(gòu)）筑物頂部2.5m以上，而氮?dú)?、氧氣放空管道其排放口頂部?yīng)高出鄰近平臺(tái)或屋檐4.0m以上；當(dāng)排放可燃?xì)怏w及規(guī)范允許的有害氣體放口頂部應(yīng)滿足20m范圍內(nèi)的平臺(tái)或建筑物頂3.5m以上。

吸氣和排氣管道支架的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

①為減少或避免振動(dòng)，吸氣和排氣的管道上不得使用吊架。

②吸氣和排氣管道支架不宜在壓縮機(jī)的房柱和樓板上生根。

③振動(dòng)管道宜沿地面敷設(shè)，一般將管道的管卡生根在管墩上，應(yīng)合理設(shè)置導(dǎo)向支架和管卡，既要抗振、又不妨礙管道的熱位移。為了使管托、管卡具有一定的彈性來(lái)吸管道的振動(dòng)，可在固定管卡與管道之間襯以石棉橡膠板或四氟乙烯板。

④小口徑（公稱直徑不大于40mm）分支管與主管連接處宜順介質(zhì)流向斜接且采用加強(qiáng)管接頭或角撐板。

⑤對(duì)需要考慮熱應(yīng)力的管道，其支架位置需統(tǒng)籌考慮，并應(yīng)滿足應(yīng)力分析和防振設(shè)計(jì)要求。

⑥在所有管道拐彎、分支以及標(biāo)高有變化處，在水平管道所有荷載集中處（切斷閥、安全閥、過(guò)濾器），其附近應(yīng)設(shè)置支架。

⑦不得在壓縮機(jī)機(jī)殼上和支承壓縮機(jī)的底座上設(shè)置管道支架。

3 往復(fù)式壓縮機(jī)配管優(yōu)化案例

圖1為某氟化工技改工程項(xiàng)目往復(fù)式壓縮機(jī)的配管。由于制造廠的內(nèi)部管線與設(shè)備接口沒(méi)有采取柔性連接，配管也沒(méi)有滿足管道的柔性，管道偏心不均衡，管架設(shè)計(jì)不合理，缺少?gòu)椈芍Ъ埽覊嚎s機(jī)制造廠沒(méi)有經(jīng)過(guò)振動(dòng)計(jì)算。開(kāi)車時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生共振，管道跳躍，噪聲震耳欲聾。根據(jù)現(xiàn)在實(shí)際情況設(shè)計(jì)院和壓縮機(jī)制造廠聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行了管系的振動(dòng)計(jì)算，在滿足開(kāi)車進(jìn)度的要求下，盡量少修改配管，經(jīng)過(guò)以下優(yōu)化，效果良好。

1）在出口處試加孔板。管道內(nèi)的平均壓力是生產(chǎn)裝置的工藝操作參數(shù)，主要取決于工藝操作要求，一般是不宜改變的，但可以通過(guò)局部瞬時(shí)高壓來(lái)降低壓力不均勻度。因此在壓縮機(jī)出口設(shè)置孔板，當(dāng)壓縮機(jī)排氣時(shí)，氣體的流速、流量和壓力由較高值逐漸降低并跨過(guò)吸氣低壓階段直到下次排氣為止，從而達(dá)到降低孔板下游管道內(nèi)介質(zhì)壓力峰值即降低壓力不均勻度的目的[2]。

2）重新調(diào)整管架選擇減振型支架。固定支架雖然可以達(dá)到防止管道振動(dòng)的目的，但是管道會(huì)局部增加剛性，妨礙了管道的熱位移，不利于自然補(bǔ)償，因此采用防振管卡作為支架使管道在縱向適當(dāng)放松約束。防振管卡主要如圖2組成。

管卡選用扁鋼以代替圓鋼使其增加受力范圍，兩邊的螺栓切向拉緊可以增加扁鋼管卡的卡緊力；選擇雙螺母，以防止因振動(dòng)而脫落，將螺栓孔調(diào)整為長(zhǎng)圓形，使管道可能產(chǎn)生的熱脹位移得到釋放；同時(shí)在管道外壁與防振管卡之間加一層3mm石棉橡膠板以確保管道外壁與防振管卡內(nèi)壁充分接觸。

4 結(jié)語(yǔ)

目前在新建的化工裝置中對(duì)運(yùn)行的穩(wěn)定性提出了苛刻的要求，對(duì)于管道的種類和數(shù)量也逐年增加，管道系統(tǒng)日趨復(fù)雜。結(jié)合實(shí)際的案例論述了往復(fù)式壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因及其管道防振設(shè)計(jì)的方法，總結(jié)了往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管線設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，為今后往復(fù)式壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)起到借鑒的作用。