趙金省 李 攀 馬玉騰 王泫懿

1. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2. 陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國石油長慶油田公司蘇里格氣田第二天然氣處理廠 4.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院5.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)組工作時(shí)由于周期性地吸氣和排氣會產(chǎn)生一個(gè)脈動力，這種脈動力會直接作用在基礎(chǔ)、管道系統(tǒng)和容器上，產(chǎn)生大幅度振動，容易引發(fā)管道結(jié)構(gòu)及其附件產(chǎn)生疲勞破壞，大大降低壓縮機(jī)的工作效率，嚴(yán)重時(shí)會引起管線破裂并可能引起爆炸等惡性事故[1-5]。相關(guān)研究人員已經(jīng)針對往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的振動問題及治理措施進(jìn)行了大量的研究工作，提出了相應(yīng)的振動消減措施，包括調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速、優(yōu)化管路系統(tǒng)、增加匯氣管的緩沖容積、安裝消振孔板、增大管道拐彎弧度和增設(shè)管夾約束等[6-8]。

中國石油長慶油田公司蘇里格氣田第二天然氣處理廠（以下簡稱第二天然氣處理廠）采用6臺燃?xì)怛?qū)動往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)組，運(yùn)行2年后，壓縮機(jī)組逐漸暴露出振動超標(biāo)問題，并引起上下游管網(wǎng)振動過大，導(dǎo)致壓縮機(jī)橇5具進(jìn)口緩沖罐出現(xiàn)裂縫和各類管卡、支撐、螺栓等斷裂，設(shè)備基礎(chǔ)開裂，并存在管網(wǎng)長期振動引發(fā)金屬疲勞和管線破損的風(fēng)險(xiǎn)，對蘇里格氣田和第二天然氣處理廠的安全生產(chǎn)構(gòu)成重大隱患。對此，開展了對壓縮機(jī)振動隱患的治理工作，經(jīng)歷了從單臺治理到6臺共振治理，從壓縮機(jī)本體治理到壓縮機(jī)基礎(chǔ)治理，從局部認(rèn)識到系統(tǒng)性分析的過程。為此筆者在對第二天然氣處理廠壓縮機(jī)組運(yùn)行過程中的振動進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的振動控制措施，并對消振效果進(jìn)行了評價(jià)。

1 壓縮機(jī)基礎(chǔ)及工藝管線設(shè)計(jì)概況

壓縮機(jī)基礎(chǔ)地基采取單臺逐一開挖方式施工，每臺基礎(chǔ)約長15 m、寬6.8 m，基礎(chǔ)施工完后原砂回填。壓縮機(jī)基礎(chǔ)墊層自下而上，底層500 mm厚原砂水墜，一層500 mm厚級配砂石，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95，100 m厚C10墊層。

壓縮機(jī)基礎(chǔ)為C30混凝土，長16.2 m，寬7.6 m，深3.05 m，基礎(chǔ)有直徑為900 mm的灌注樁8根。第二天然氣處理廠采用先處理后增壓的工藝，工藝管線從裝置區(qū)出口直徑為800 mm 匯管至增壓站后，分6路分別進(jìn)入各臺壓縮機(jī)，6臺壓縮機(jī)并聯(lián)布置。

2 壓縮機(jī)組基礎(chǔ)和工藝管線的振動模式及出現(xiàn)的問題

2.1 壓縮機(jī)組振動模式

2.1.1 壓縮機(jī)組基礎(chǔ)的振動

壓縮機(jī)組橇體與基礎(chǔ)通過地腳螺栓連為一體，整個(gè)振動系統(tǒng)包括壓縮機(jī)本身、驅(qū)動機(jī)、管線和基礎(chǔ)等。壓縮機(jī)組基礎(chǔ)作為該系統(tǒng)中的重要組成部分，基礎(chǔ)振動的超標(biāo)會使壓縮機(jī)組橇體的振動更加劇烈[8]。壓縮機(jī)組基礎(chǔ)振動可以分解成垂向、縱向和橫向的平動，以及繞剛體質(zhì)心在這3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動[9]。

2.1.2 天然氣管道的振動

2.1.2.1 氣流脈動

往復(fù)式壓縮機(jī)由于間歇性吸排氣在管道內(nèi)形成氣流脈動，當(dāng)這種脈動的氣流在管道內(nèi)遇到彎頭、三通和閥門等管道結(jié)構(gòu)或元件時(shí)就形成激振力。當(dāng)氣柱激發(fā)力的頻率與管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率相近時(shí)，就形成了機(jī)械共振[10-11]。

2.1.2.2 壓縮機(jī)組振動引起管路振動

壓縮機(jī)組振動引起的管道振動通常是在近壓縮機(jī)的管道，一種情況是壓縮機(jī)組振動使連接壓縮機(jī)組主體的管道劇烈振動；另一種情況是由于壓縮機(jī)組本身設(shè)計(jì)的問題會引起基礎(chǔ)振動，從而帶動與壓縮機(jī)組基礎(chǔ)相連的管道振動[12]。

2.1.2.3 振動波在地層中的傳播

振動在土壤中的衰減有兩種原因[13-14]：①振動能量被土壤阻尼所消耗和吸收，短波的高頻波在土壤中具有較快的衰減，長波的低頻波在土壤中具有較慢的衰減；②隨著距離振源中心越遠(yuǎn)而振動會逐漸擴(kuò)散。

2.2 壓縮機(jī)組及管線振動出現(xiàn)的問題

2.2.1 緩沖罐及壓縮機(jī)橇內(nèi)部位開裂

第二處理廠先后發(fā)現(xiàn)5臺次天然氣壓縮機(jī)組的進(jìn)口緩沖罐出現(xiàn)裂縫，壓縮機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間介于3 431～14 439 h（圖1-a）。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)組橇內(nèi)部位也多次出現(xiàn)諸如緩沖罐地腳螺栓、緩沖罐罐卡和管線支撐等部件的斷裂（圖1-b、c、d）。

2.2.2 天然氣壓縮機(jī)組橇外振動情況

圖1 緩沖罐及壓縮機(jī)組橇內(nèi)部位開裂圖

在生產(chǎn)過程中，壓縮機(jī)組入口天然氣管線在龍門架上方出現(xiàn)了間歇性的振動和轟鳴聲。同時(shí)，當(dāng)壓縮機(jī)組在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行時(shí)，雖然廠房內(nèi)的壓縮機(jī)組入口管路已經(jīng)埋于地下，但是3號和4號壓縮機(jī)組入口管線在出地面接壓縮機(jī)組橇處能感覺到比較強(qiáng)烈的振動（圖2）。

圖2 增壓站管線示意圖（紅圈內(nèi)為振動強(qiáng)烈點(diǎn)）

2.2.3 壓縮機(jī)組基礎(chǔ)振動

2.2.3.1 壓縮機(jī)組基礎(chǔ)開裂

6臺壓縮機(jī)組的基礎(chǔ)，都在垂直方向出現(xiàn)了開裂（圖3）。采集人員站在基礎(chǔ)上時(shí)，也可以明顯地感覺到腳下的基礎(chǔ)在劇烈地振動。

圖3 壓縮機(jī)組基礎(chǔ)開裂圖

2.2.3.2 壓縮機(jī)組基礎(chǔ)振動超標(biāo)

根據(jù)GB 50040—96《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，基礎(chǔ)的振動應(yīng)同時(shí)控制頂面的最大振動線位移和最大振動速度，基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)的最大振動線位移不應(yīng)大于0.20 mm，最大振動速度不應(yīng)大于6.3 mm/s。為了檢查壓縮機(jī)基礎(chǔ)的振動情況，在壓縮缸中間的橇裝平臺上間隔一個(gè)壓縮缸依次布設(shè)3個(gè)振動探頭作為監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測結(jié)果表明，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的最大振動速度介于12～16 mm/s，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)定值。

3 壓縮機(jī)組振動綜合性分析

3.1 能量守恒定律分析

從能量守恒的角度分析，天然氣和空氣在發(fā)動機(jī)內(nèi)的爆炸燃燒是能量的來源，熱能一部分熱交換散失于機(jī)體，另一部分轉(zhuǎn)化為動能。動能又分兩部分，一小部分引起機(jī)體振動，大部分傳遞給壓縮機(jī)組，壓縮機(jī)組的動能又轉(zhuǎn)化為兩部分，一小部分引起壓縮機(jī)機(jī)體振動，大部分變?yōu)闅怏w的內(nèi)能和熱能。在此過程中發(fā)動機(jī)和壓縮機(jī)組的振動能量，會分為兩部分，一部分表現(xiàn)為壓縮機(jī)組橇體和基礎(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)振動，另一部分會以振動波的形式，向基礎(chǔ)和周圍的地層中傳遞，被耗散和吸收。

從宏觀來看，壓縮機(jī)組的振動超標(biāo)，說明振動能被基礎(chǔ)和周圍地層吸收和耗散的少，因此壓縮機(jī)組橇體和基礎(chǔ)振動的劇烈，超出標(biāo)準(zhǔn)。這也符合第二天然氣處理廠壓縮機(jī)設(shè)備的損壞特點(diǎn)，表現(xiàn)為整體、普遍和無規(guī)律性。

3.2 地基土壤分析

3.2.1 壓縮機(jī)組安裝前后地基土壤性質(zhì)變化

第二處理廠增壓站地基為紅砂巖，比普通土壤地層硬度大、抗壓性能好。施工時(shí)采取6臺設(shè)備基礎(chǔ)單臺開挖，基礎(chǔ)施工完后，原砂回填（圖4），這就導(dǎo)致設(shè)備基礎(chǔ)周圍施工前后的土壤剛性差別大。在振動波的傳導(dǎo)中，會由于土壤密度的差異，在單臺壓縮機(jī)組周圍的土壤中來回發(fā)射，不易傳導(dǎo)，因此能量聚集。

圖4 壓縮機(jī)組基礎(chǔ)振動示意圖

表1 壓縮機(jī)組房內(nèi)土壤干密度測試數(shù)據(jù)表

經(jīng)過對壓縮機(jī)組周圍土壤開挖檢測，土層每50 cm取不同處土樣檢測，計(jì)算壓實(shí)系數(shù)（表1）。施工技術(shù)要求混凝土下土壤壓實(shí)系數(shù)需大于等于0.95，由表1可知，9份土樣中僅有1份土樣壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.95。表明壓縮機(jī)組基礎(chǔ)周邊土壤壓實(shí)度較差。

3.2.2 運(yùn)行過程中土壤的密實(shí)沉降

無論是基礎(chǔ)周圍土壤自然沉降，還是壓縮機(jī)組振動引起的密實(shí)作用，通常情況下，周圍的沙土都會補(bǔ)充過來，從而在基礎(chǔ)周圍形成密度較高的土壤，吸收壓縮機(jī)組基礎(chǔ)的動能而減小振動。但是，基于第二天然氣處理廠壓縮機(jī)組基礎(chǔ)的施工，原有破碎后的砂巖碎屑粒度不均，壓實(shí)度低，周圍土壤也沒有物質(zhì)補(bǔ)充，形成了單臺機(jī)組基礎(chǔ)之間的原有紅砂巖與基礎(chǔ)之間沒有密實(shí)的土壤，振動波不能有效傳導(dǎo)出去，甚至來回反射，從而不能很好地吸收壓縮機(jī)組基礎(chǔ)的動能，導(dǎo)致機(jī)體整體振動過大，機(jī)體的振動帶動了管線的振動，引發(fā)了共振。同時(shí)，壓縮機(jī)組進(jìn)口土壤不夠密實(shí)，對管線的振動能也不能很好地吸收，或者說，當(dāng)管線振動時(shí)，土壤對其束縛作用小，振動的范圍就大，容易引起共振發(fā)生。

3.3 壓縮機(jī)橇體構(gòu)件振動分析

當(dāng)壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行時(shí)，洗滌罐入口管線、進(jìn)氣緩沖罐、排氣緩沖罐等部位振動劇烈，振幅遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)過檢測分析，洗滌罐入口管線劇烈振動是由于氣體脈沖產(chǎn)生的激振力所導(dǎo)致，特別是當(dāng)洗滌罐地腳螺栓松動時(shí)會形成氣柱共振，從而加劇管線的振動。

進(jìn)氣緩沖罐是壓縮機(jī)組振動最為強(qiáng)烈的部位，也容易產(chǎn)生進(jìn)一步的事故。原因有兩個(gè)：一是壓縮缸內(nèi)側(cè)支撐軟腳會造成壓縮缸部位的振動增大，由于進(jìn)氣緩沖罐相對機(jī)組本體而言為懸臂梁結(jié)構(gòu)，會放大壓縮缸帶來的振動，從而使緩沖罐接口處形成應(yīng)力破壞；二是振動造成進(jìn)氣緩沖罐的焊接應(yīng)力和螺栓連接的安裝應(yīng)力過大，從而具有疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

排氣緩沖罐的振動是由氣缸的振動造成的。排氣緩沖罐為懸臂梁結(jié)構(gòu)，會放大氣缸的振動。另外，壓縮機(jī)組的周期性排氣會引起排氣緩沖罐的脈沖振動[12]。

3.4 振動超標(biāo)的系統(tǒng)性分析

結(jié)合振動能量、土壤情況及機(jī)組成橇情況綜合分析，由于單臺壓縮機(jī)組的振動能沒有充分被周圍土壤耗散和吸收，一方面導(dǎo)致單臺壓縮機(jī)組的振動過大，表現(xiàn)為成橇設(shè)備局部因振動開裂和支撐斷裂，另一方面導(dǎo)致管線共振。當(dāng)多臺壓縮機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，由設(shè)備和基礎(chǔ)引起的工藝管線（尤其是進(jìn)口管線）振動同時(shí)作用于匯管，帶動匯管振動。當(dāng)匯管的振動頻率接近于金屬管道的固有頻率，再加之氣流脈動的影響，在三者的影響下，產(chǎn)生劇烈振動。

因此，若能夠?qū)嚎s機(jī)組進(jìn)口匯管1分為2、1分為3或改用環(huán)形供氣模式，將能夠打破現(xiàn)有共振模式，將6臺機(jī)組形成的系統(tǒng)縮小為每2～3臺機(jī)組形成一個(gè)系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 建議壓縮機(jī)入口匯管流程示意圖

4 振動消減優(yōu)化與檢測評估

4.1 設(shè)備基礎(chǔ)周邊土壤密實(shí)度試驗(yàn)

基于前文的分析，經(jīng)過綜合分析判斷，結(jié)合已經(jīng)做過的工作（已經(jīng)對壓縮機(jī)本體的振動進(jìn)行了增加支撐和緊固措施），更進(jìn)一步作出判斷，要減小振動一是要減小壓縮機(jī)周圍土壤的密度差異，以利于能量釋放；二是對振動超標(biāo)的管線要加強(qiáng)周圍土壤對其束縛。

這兩點(diǎn)都可以通過重新處理地基來達(dá)到目的，考慮到3號、4號天然氣壓縮機(jī)組振動較其他機(jī)組更大，且處于增壓站的中心位置，是6臺壓縮機(jī)組進(jìn)口管道振動波傳導(dǎo)的疊加區(qū)域，也就是共振的最高點(diǎn)。故選擇對3號機(jī)組周圍的基礎(chǔ)進(jìn)行開挖夯實(shí)試驗(yàn)。通過在3號天然氣壓縮機(jī)組西側(cè)開挖一個(gè)尺寸為3 m（東西向）×7 m（南北向），深度為2 m的深坑并進(jìn)行回填。每次回填40 cm厚度就夯實(shí)一次，且進(jìn)行壓實(shí)使壓實(shí)系數(shù)大于等于0.95。

這樣通過3號機(jī)組西側(cè)基礎(chǔ)進(jìn)行開挖并重新夯實(shí)，加快了能量在地層中傳播的廣度。同時(shí)，由于夯實(shí)的是3號機(jī)組進(jìn)氣管線周圍的土壤，等于將其牢牢固定住（進(jìn)氣管線被重新夯實(shí)的土牢牢固定?。芫€的振動能量有利于向地層中釋放，打破了原來6臺壓縮機(jī)機(jī)組的共振模式，變成了2臺機(jī)組的共振和其他4臺機(jī)組的共振。

4.2 設(shè)備加固

根據(jù)現(xiàn)場對壓縮機(jī)組各構(gòu)件的振動測量情況，先后在壓縮機(jī)組進(jìn)氣緩沖罐、排氣緩沖罐底部、排氣緩沖罐管線底部、冷卻水管線等振動較劇烈的部位加裝固定支撐，并在加固設(shè)備上設(shè)置振動監(jiān)測點(diǎn)，測試加固前后的振動值，測試方向包括垂向和徑向，測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，設(shè)備加固后各測試點(diǎn)垂直方向和徑向的振動值都出現(xiàn)了明顯的降低，設(shè)備本體振動得到了一定控制。

圖6 橇體構(gòu)件加固前后振動值比較圖

4.3 氣流控制

為有效降低氣流脈動對天然氣壓縮機(jī)組的影響，在6臺天然氣壓縮機(jī)組進(jìn)口管線上各增加了一臺截止閥。壓縮機(jī)組裝置區(qū)來的天然氣通過截止閥的閥體腔室，氣流重新被調(diào)整，從而使壓縮機(jī)組進(jìn)口管線的固有頻率發(fā)生改變，可以有效避免共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4.4 啟機(jī)程序優(yōu)化

原啟機(jī)程序在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到750 r/min時(shí)，壓縮機(jī)組橇內(nèi)直徑為400 mm的進(jìn)口閥門將會打開，此時(shí)進(jìn)口管線壓力約為2.2 MPa的天然氣會瞬間進(jìn)入0.5 MPa壓力的壓縮機(jī)組橇內(nèi)，這樣便會在進(jìn)氣管線內(nèi)形成很大的氣體沖擊力，進(jìn)而造成進(jìn)氣洗滌罐內(nèi)捕霧網(wǎng)、排污管等斷裂或損壞。為了改變這種情況，在壓縮機(jī)組橇內(nèi)直徑為400 mm進(jìn)口閥門打開之前，通過開啟天然氣壓縮機(jī)組橇內(nèi)的直徑為40 mm吹掃閥對壓縮機(jī)增壓。當(dāng)壓縮機(jī)橇內(nèi)壓力增至1.85 MPa時(shí)，再打開進(jìn)口閥門。這樣可以有效地降低由于氣體沖擊造成的安全隱患。

4.5 振動治理綜合效果

經(jīng)過連續(xù)幾年的不斷治理，第二天然氣處理廠壓縮機(jī)組振動值穩(wěn)定保持在范圍之內(nèi)，隱患已經(jīng)基本消除。

治理前后壓縮機(jī)組振動值的對比如圖7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過治理后第二處理廠各機(jī)組振動值相比治理前均呈下降趨勢，均降到了標(biāo)準(zhǔn)值以下。在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中也可以發(fā)現(xiàn)管架上已經(jīng)無鳴叫聲，3號、4號壓縮機(jī)組進(jìn)口管線埋地處無明顯強(qiáng)振，各類故障率均明顯降低，各機(jī)組運(yùn)行效率得到提升。

圖7 治理前后壓縮機(jī)組振動值對比圖

5 結(jié)論

1）要重視壓縮機(jī)組基礎(chǔ)地基處理和廠內(nèi)工藝管線的土壤回填工作，按照有利于能量散失和對基礎(chǔ)及工藝管線加強(qiáng)束縛的原則，保證壓實(shí)度。具體到第二天然氣處理廠的情況，每個(gè)基礎(chǔ)和工藝管線周邊的土壤，要保證壓實(shí)度，越接近原地層的硬度，越利于釋放能量和對管線的束縛。

2）成組的壓縮機(jī)布置，要考慮工藝管線對振動的傳遞和聚集作用，易引起壓縮機(jī)組和工藝管線的系統(tǒng)性共振，在設(shè)計(jì)工藝管線時(shí)要考慮防振問題。

3）從經(jīng)濟(jì)和安全的角度考慮，振動超標(biāo)的治理可以循序漸進(jìn)。

4）一旦振動超標(biāo)，對局部的防振措施也必不可少，比如合理增加支承和改變支承結(jié)構(gòu)，在壓縮機(jī)組管道系統(tǒng)適當(dāng)位置加裝孔板，調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行工況等。

5）蘇里格氣田這樣成組的多臺大型壓縮機(jī)，振動超標(biāo)問題普遍存在。按照第二天然氣處理廠的振動治理經(jīng)驗(yàn)，壓縮機(jī)組的振動可以進(jìn)一步消減。