劉 勇，徐向陽，姚 俊，肖 強(qiáng)，楊 金，盧福志

（1.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司成都壓縮機(jī)分公司，四川成都610100；2.中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司，卡爾加里加拿大）

1 引言

螺桿壓縮機(jī)因其可靠性高、動力平衡好以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前在包括天然氣等多個領(lǐng)域，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。與之相應(yīng)的，如何更加合理地設(shè)計螺桿式壓縮機(jī)組，提高其使用壽命和安全性也顯得越來越重要。一般來說，對螺桿壓縮機(jī)組的成撬設(shè)計，考慮機(jī)組管道系統(tǒng)的柔性和熱應(yīng)力是其中一個重要的部分。只有通過進(jìn)行管道柔性和熱應(yīng)力分析，才能確定最合適的管道布置和支撐設(shè)計，同時提供管道在撬邊交接點(diǎn)的力和力矩值，以實(shí)現(xiàn)與撬外管道的安全連接。管道布置柔性不好或熱應(yīng)力過大，嚴(yán)重時會損壞管道支撐，同時還會導(dǎo)致容器、設(shè)備管嘴連接部位變形過大甚至破壞管嘴連接。此外，壓縮機(jī)撬體結(jié)構(gòu)設(shè)計也是保證機(jī)組安全運(yùn)行的重要部分。即使管道柔性和熱應(yīng)力設(shè)計合理，如果壓縮機(jī)組底撬結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，同樣會引起底撬梁的過度變形和破壞，降低機(jī)組的運(yùn)行可靠性和使用壽命。因此，管道柔性、熱應(yīng)力以及底撬結(jié)構(gòu)設(shè)計分析是螺桿式壓縮機(jī)組成撬設(shè)計中不可或缺的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

管道柔性和熱應(yīng)力分析包括計算和檢查管道在自重、風(fēng)載荷、地震載荷、運(yùn)行溫度和壓力等載荷作用下的應(yīng)力和變形，計算和檢查壓縮機(jī)和容器在運(yùn)行條件下的管嘴載荷，優(yōu)化管道和支撐設(shè)計以滿足ASME B31.3對管道應(yīng)力的要求，提供管道在撬邊交接點(diǎn)的載荷以及為底撬結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支撐載荷。

壓縮機(jī)撬體結(jié)構(gòu)分析包括撬體在自重、活載、風(fēng)載荷、地震載荷及運(yùn)行載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)梁變形分析，以滿足AISC 360相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文以某雙螺桿壓縮機(jī)組（1級壓縮、電動機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)速1120~2980 r/min）為例，說明在螺桿壓縮機(jī)組成撬設(shè)計中，如何進(jìn)行管道柔性和熱應(yīng)力分析以及撬體結(jié)構(gòu)分析，以滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2 機(jī)組管道的柔性和熱應(yīng)力分析

2.1 管道柔性和熱應(yīng)力分析方法

根據(jù)ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組管道柔性和熱應(yīng)力分析的基本要求包括：（1）計算管道的應(yīng)力以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；（2）計算管道對管道支撐的作用力，為管道支撐的設(shè)計提供依據(jù)；（3）計算管道對相連設(shè)備的管口載荷以滿足相應(yīng)規(guī)范要求；（4）計算管道位移，以防止管道碰撞或管道支架脫空。

管道柔性和熱應(yīng)力分析是用有限元方法進(jìn)行的，其中管道、彎頭、三通和變徑管等都用對應(yīng)的有限元單元來模擬，機(jī)身和支撐用梁單元來模擬，連接和固定部分用相應(yīng)的約束點(diǎn)來模擬。系統(tǒng)模型建立完成后，對模型施加邊界條件和相應(yīng)的作用力，然后應(yīng)用有限元法計算每個單元的位移、應(yīng)力以及相應(yīng)的管口載荷、約束反力等并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對照。本文的管道柔性和熱應(yīng)力分析是使用Bentley AutoPIPE軟件進(jìn)行的。

2.2 載荷設(shè)置

管道柔性和熱應(yīng)力分析的載荷是按照ASME B31.3要求，根據(jù)壓縮機(jī)組的運(yùn)行工況確定。一般包括：（1）持續(xù)載荷，即管道和流體自重、儀表閥門重量等載荷；（2）壓力載荷，即最大工作壓力載荷；（3）溫度載荷，即由最低工作溫度或最低環(huán)境溫度到最高工作溫度之間因熱脹冷縮所引起的載荷；（4）偶然載荷，即雪載、風(fēng)載和地震等偶然載荷。針對壓縮機(jī)組的具體情況，溫度載荷是影響機(jī)組安全運(yùn)行、需要考慮的重點(diǎn)。

2.3 系統(tǒng)模型

在壓縮機(jī)組的仿真模型基礎(chǔ)上，施加管道柔性和熱應(yīng)力分析的載荷組合，即可形成管道柔性和熱應(yīng)力分析模型。圖1顯示了該模型中機(jī)組的最大運(yùn)行壓力，圖2顯示了該模型中機(jī)組的最高工作溫度。

2.4 管道應(yīng)力分析結(jié)果和討論

圖3顯示了管道布置和支撐優(yōu)化后的應(yīng)力分析結(jié)果。從圖中可以看出，系統(tǒng)最大標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力滿足ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1顯示了壓縮機(jī)管嘴載荷滿足API 619標(biāo)準(zhǔn)要求。通過進(jìn)行柔性和熱應(yīng)力分析，還校核了冷卻器管嘴載荷、容器管嘴載荷等，同時提供機(jī)組在撬邊管道交接點(diǎn)的力和力矩值以及管道和容器支撐點(diǎn)的作用反力和反力矩等，以作為后續(xù)設(shè)計的邊界條件，為全部系統(tǒng)的安全設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 機(jī)組的最大運(yùn)行壓力

圖2 機(jī)組的最高工作溫度

圖3 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力

圖4 撬體結(jié)構(gòu)的三維有限元模型

3 機(jī)組運(yùn)行時底撬結(jié)構(gòu)分析

3.1 機(jī)組運(yùn)行時底撬結(jié)構(gòu)分析的有限元模型

使用Bentley Staad Pro軟件建立的雙螺桿壓縮機(jī)組有限元模型如圖4所示。在有限元分析模型中，撬體各主要部件和設(shè)備的密度是根據(jù)撬體重量清單計算得到的等效值。

表1 壓縮機(jī)管嘴載荷校核

3.2 結(jié)構(gòu)分析載荷設(shè)置及載荷組合

撬體在運(yùn)行過程中包括如下載荷：（1）自重載荷，分析中使用的自重載荷為撬體重量加上自重的10%作為連接件等的重量；（2）活載荷，根據(jù)業(yè)界常規(guī)，活載荷假設(shè)為2.4 kPa；（3）管道載荷，管道載荷由上一章管道柔性和應(yīng)力分析得到；（4）風(fēng)載荷，風(fēng)載荷由式WL=CfqCeCgA給出，其中q是風(fēng)壓，A是縱向迎風(fēng)面積，Ce是暴露系數(shù)，Cf是陣風(fēng)因子，Cg是外壓系數(shù)；（5）地震載荷，分析中計算得到等效地震載荷為自重的0.107倍。由于地理位置的關(guān)系，本文沒有考慮雪載荷。

撬體結(jié)構(gòu)在運(yùn)行條件下的極限狀態(tài)，包括Ultimate Limit States（ULS）和Serviceability Limit States（SLS）。

圖5 運(yùn)行條件下底撬梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖6 運(yùn)行條件下底撬梁結(jié)構(gòu)變形

3.3 撬體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分析結(jié)果

運(yùn)行條件下撬體結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果表明最大應(yīng)力比為0.18，小于極限值1.0，如圖5所示；底撬結(jié)構(gòu)梁最大變形為2.7 mm，小于允許變形值，如圖6所示。壓縮機(jī)撬體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形均滿足AISC 360鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求。

4 結(jié)論

在螺桿壓縮機(jī)組成撬設(shè)計中，需要進(jìn)行ASME B31.3管道熱應(yīng)力和柔性分析，以發(fā)現(xiàn)管道和支撐的不合理設(shè)計并加以解決，同時需要對底撬進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從而達(dá)到提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和延長機(jī)組運(yùn)行時間的目的。本文以某螺桿壓縮機(jī)組為例，說明如何進(jìn)行管道應(yīng)力和底撬結(jié)構(gòu)分析，使機(jī)組系統(tǒng)同時滿足ASME B31.3管道柔性和熱應(yīng)力以及AISC 360結(jié)構(gòu)分析要求，從而保證機(jī)組安全運(yùn)行，為螺桿壓縮機(jī)組的成撬設(shè)計和安全使用提供了技術(shù)參考依據(jù)。