往復(fù)式壓縮機(jī)管道防振設(shè)計研究

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，通過氣缸的活塞運(yùn)動為介質(zhì)增壓。壓縮機(jī)本身投資高，機(jī)組連接的管道相對復(fù)雜、管徑較大，且管系容易發(fā)生振動，振動嚴(yán)重時會影響整個裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此壓縮機(jī)的管道設(shè)計是整個裝置管道設(shè)計的核心內(nèi)容。本文結(jié)合某新建裝置，簡要論述了往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計的要點(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、振動分析及管線改進(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，廠房采用半敞開式結(jié)構(gòu)，樓板采用鋼格板，以便于通風(fēng)。廠房內(nèi)共布置4臺往復(fù)式壓縮機(jī)，正常操作工況下為3開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，二層平臺高度為4.5 m。壓縮機(jī)本體及油箱布置在二層平臺上，附屬設(shè)備及水箱布置在地面，廠房內(nèi)設(shè)置一個防爆橋式吊車。

壓縮機(jī)廠房的高度是根據(jù)吊車型式、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、吊起時確保越過障礙物的最小富余高度、被吊最大設(shè)備的高度與吊纜長度的總和。經(jīng)過計算得到廠房內(nèi)吊車軌頂高度為20 m。

2 壓縮機(jī)附屬設(shè)備的平面布置

本裝置的4臺壓縮機(jī)共用一個入口分液罐，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。

本裝置壓縮機(jī)為二級壓縮，附屬設(shè)備包括級間分離器、級間冷卻器、潤滑油站和水站等。常見的布置方式有兩種：一種是將級間分離器和級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)布置在廠房內(nèi)。

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

第二種布置方式的優(yōu)勢在于設(shè)備及管道更加緊湊，有利于節(jié)省空間和管道長度，但相應(yīng)增加了后期管道規(guī)劃的難度。對比兩種方案后，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，每兩臺壓縮機(jī)共用一處檢修區(qū)域，4臺壓縮機(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

往復(fù)式壓縮機(jī)通過氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動，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狀態(tài)，因此與壓縮機(jī)連接的進(jìn)出口管道就會不可避免地產(chǎn)生振動。若振動幅度過大，會造成管道疲勞破壞、管道上儀表件松動破壞、法蘭連接處密封失效等問題。

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是往復(fù)式壓縮機(jī)管道設(shè)計的主要任務(wù)。

3.1 管道振動原因

引起壓縮機(jī)管道系統(tǒng)振動的原因主要有[1-2]：

(1)壓縮機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，如機(jī)身的腳螺栓松動、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，并將振動傳遞到管道上；

(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)吸排氣過程的激發(fā)下，會形成振動，當(dāng)氣柱固有頻率落在激發(fā)頻率的共振區(qū)內(nèi)，就會產(chǎn)生氣柱共振；

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

3.2 管道減振措施

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

其中，氣流脈動的大小可以用壓力不均勻度來表示：

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

3.2.1 合理設(shè)計緩沖器容積和位置

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

緩沖器容積一般采用美國石油學(xué)會(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長時，易使管系落入氣流脈動的共振區(qū)，導(dǎo)致管線振動，有時還會增加壓縮機(jī)氣缸體的振動。

對于上進(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?，使管道尾端不再具有反射條件，有效降低管道內(nèi)的壓力不均勻度，從而減小氣流脈動和管道振動。孔板的尺寸和安裝位置是影響孔板作用的兩個主要因素。

孔板的尺寸根據(jù)開口比(孔板內(nèi)徑與管道內(nèi)徑的比例)的取值進(jìn)行確定，開口比一般取0.43～0.50，對于低速氣體可以取接近0.50，對高速氣體可以取接近0.43?？装鍍?nèi)徑邊緣處需保留銳角，否則減振效果會降低。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，同時還會產(chǎn)生噪音。

孔板安裝的位置不同，對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)下計算緩沖器容積，當(dāng)計算得到的緩沖器容積過大而無法制造安裝時，再考慮加裝孔板。

3.2.3 合理設(shè)計管道結(jié)構(gòu)

(1)盡量減少彎頭數(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F1最小，α=90°(即90°彎頭)時F1最大。

若彎頭過多，則會加劇管系的振動。因此在布置壓縮機(jī)管道時，在滿足管道柔性分析的前提下應(yīng)合理設(shè)計管道結(jié)構(gòu)，做到管道短而直，且盡量減少彎頭數(shù)量，條件允許的情況下考慮優(yōu)先采用長半徑彎頭或45°彎頭。

(2)適當(dāng)增加管徑

管徑對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。

(3)管道盡量沿地敷設(shè)或降低敷設(shè)高度

對于振動管道，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。當(dāng)管道敷設(shè)高度過高，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。對于有閥門的管道，由于閥門自重改變了管系的荷載平衡，容易發(fā)生振動，因此宜將閥門沿地敷設(shè)，這樣既有利于管道防振，又便于閥門操作、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，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)計時應(yīng)使管系固有頻率避開機(jī)組激振頻率和氣柱固有頻率。對于復(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開。

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，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，應(yīng)盡量增大支架的剛度。通常采用生根于堅固的混凝土管墩上的防振管卡，且管墩需避開壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備的基礎(chǔ)，以防受到壓縮機(jī)振動的影響。防振管卡與管道之間襯有無石棉橡膠墊，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(如各級之間的跨線、放空管、吹掃線、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、儀表測量不準(zhǔn)等情況。

4 振動分析與管線改進(jìn)

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

壓縮機(jī)廠房地面與二層平臺之間除了有設(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立柱等，當(dāng)附屬設(shè)備布置在廠房內(nèi)時空間更加緊湊，在管道設(shè)計過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，以避免對已完成管道振動分析的設(shè)計方案進(jìn)行修改。

一般在主要管道布置方案確定后可進(jìn)行管道振動分析。管道振動分析包括氣流脈動分析和機(jī)械振動分析。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分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在二級排氣緩沖器出口至二級冷卻器管段上有部分節(jié)點(diǎn)脈動值較大(即圖3中紅色圓圈所示位置)，需要對二級排氣緩沖器至二級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，保證機(jī)組的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。根據(jù)機(jī)械振動分析結(jié)果，各段管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力都能滿足要求，部分管道增加了防振支架，從而保證各級進(jìn)氣、排氣管路結(jié)構(gòu)固有頻率滿足要求。

圖3 壓縮機(jī)主要管道布置圖

5 結(jié)語

往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)備平面布置和管道防振設(shè)計是裝置管道設(shè)計的核心內(nèi)容。在設(shè)計過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)計過程中，結(jié)合管道振動分析結(jié)果，通常采用合理設(shè)計緩沖器容積和位置、增設(shè)孔板、合理設(shè)計管道結(jié)構(gòu)和支架等方式減小管道振動。