楊 金，劉 勇，徐向陽，馬俊文，何 偉，肖 強，胡 巍

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

1 引言

往復(fù)壓縮機系統(tǒng)固有頻率和振動力響應(yīng)分析計算是API 618第五版方法三分析中的主要內(nèi)容，在API 618第四版中分別稱之為M4-M5和M6-M7分析計算。其分析計算結(jié)果直接決定了機組系統(tǒng)的機械振動控制方案，包括管道、設(shè)備的布置和支撐設(shè)計。因此，提高系統(tǒng)固有頻率和振動力響應(yīng)分析計算結(jié)果的準確性，對于確定合適的機械振動控制方案、避免機組運行風(fēng)險、降低機組成撬成本、保證機組安全運行具有十分重要的作用。

由于往復(fù)壓縮機系統(tǒng)由壓縮機身、中體、壓縮缸、緩沖罐、洗滌罐、管道等多個主要部件組成，提高系統(tǒng)固有頻率和振動力響應(yīng)分析計算結(jié)果準確性的主要難點，就在于如果準確確定這些主要部件之間的連接剛度。目前，相當一部分壓縮機組的成撬分析計算是假設(shè)這些部件之間的連接是剛性連接（或?qū)δ承┎课皇褂肳RC 297等解析計算方法），導(dǎo)致計算的系統(tǒng)固有頻率值偏高，以及相應(yīng)的振動力響應(yīng)值偏小，給機組實際運行帶來了較高的風(fēng)險和隱患。

本文以某二級往復(fù)壓縮機組成撬分析計算為例，說明了應(yīng)用有限元法計算機組系統(tǒng)主要部件之間連接剛度，進而提高系統(tǒng)固有頻率和振動力響應(yīng)分析計算結(jié)果準確性的方法。這些連接部位包括壓縮機身和中體的連接、中體和底部支撐結(jié)構(gòu)的連接、洗滌罐和底部支撐結(jié)構(gòu)的連接、壓力容器筒體和管嘴的連接等。并分別使用有限元連接剛度計算值和一般剛度假設(shè)值，計算了機組系統(tǒng)的固有頻率和振動力響應(yīng)位移，比較了兩者的計算結(jié)果。本文提出的計算方法及分析實例結(jié)果為確定合適的機械振動控制方案、降低機組成撬成本、保證機組安全運行提供了重要的技術(shù)參考。

2 系統(tǒng)主要連接剛度的有限元計算

2.1 壓縮機身和中體連接的剛度計算

利用ANSYS軟件對壓縮機身建模并自動劃分網(wǎng)格，在機身底部安裝螺栓處設(shè)固定位移邊界條件，在機身與中體連接處施加3個方向的受力載荷和3個方向的彎矩載荷，得到相應(yīng)變形，從而計算得到連接剛度值。機身與中體連接處在6個自由度上的連接剛度計算值如表1所示。

計算結(jié)果表明沿機身水平方向（與中體及氣缸軸線一致）上的平移剛度較小。在往復(fù)壓縮機工作時，氣缸內(nèi)會產(chǎn)生沿氣缸軸向方向的動態(tài)氣體力。該方向上的平移剛度將顯著影響氣缸沿其軸向方向的振動幅值。同時也發(fā)現(xiàn)，機身沿軸線方向上的扭轉(zhuǎn)剛度也較小，該點在設(shè)計中體支撐和氣缸外側(cè)缸頭支撐時應(yīng)予考慮。

2.2 中體和支撐結(jié)構(gòu)連接的剛度計算

用ANSYS建立中體和底部支撐梁結(jié)構(gòu)的連接模型，并在6個自由度方向上加載，計算得到相應(yīng)變形值以計算連接剛度。6個自由度方向上的連接剛度計算值如表2所示。

中體支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計在往復(fù)壓縮機防振設(shè)計中非常重要。計算結(jié)果表明中體沿氣缸軸線方向上的平移剛度較小，沿機身軸線方向上的扭轉(zhuǎn)剛度也較小。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡量加強中體支撐結(jié)構(gòu)、以及增加底部梁筋板，以抵抗因氣缸氣體力和緩沖罐內(nèi)氣流脈動不平衡力引起的機械振動。

2.3 洗滌罐和底部支撐梁結(jié)構(gòu)連接的剛度計算

用ANSYS建立洗滌罐和底部支撐梁結(jié)構(gòu)的連接模型，在模型中考慮了洗滌罐下部結(jié)構(gòu)、洗滌罐裙座、裙座筋板和底板，底部支撐梁結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的梁筋板。在底部支撐梁下翼板處對應(yīng)的地腳螺栓安裝位置施加固定約束，在洗滌罐下部6個自由度方向上加載，計算得到相應(yīng)變形值以計算連接剛度。圖1和圖2分別顯示了本分析實例中，洗滌罐下部沿水平和軸線方向的變形。6個自由度方向上的連接剛度計算值則如表3所示。計算結(jié)果表明，洗滌罐和底部支撐梁結(jié)構(gòu)在垂直方向的連接平移剛度和2個水平方向的彎曲剛度較小，其它3個自由度上的連接剛度則較大、可近似認為是剛性連接。

2.4 緩沖罐筒體和管嘴連接的剛度計算

對于洗滌罐筒體和管嘴的連接剛度，一般常用做法是不考慮（即作為剛性連接處理）、或使用WRC 297等解析計算方法來估算。本文則采用ANSYS軟件對壓縮機緩沖罐筒體及管嘴建立有限元模型并劃分網(wǎng)格，施加載荷并計算變形，得到筒體和管嘴連接處的剛度值。圖3和圖4分別顯示了筒體和管嘴在徑向和軸向方向上的變形。表4則表示了連接剛度計算值。

圖1 洗滌罐受水平推力作用下的變形

圖2 洗滌罐受軸向推力作用下的變形

表3 洗滌罐和底部支撐梁結(jié)構(gòu)的連接剛度計算值

圖3 緩沖罐及管嘴徑向變形

圖4 緩沖罐及管嘴軸向變形

表4 緩沖罐筒體和管嘴的連接剛度計算值（其它3個分析為剛性連接）

3 系統(tǒng)固有頻率和振動力響應(yīng)分析計算

用Bentley AutoPIPE建立壓縮機系統(tǒng)機械分析模型，模型中機組各主要部件（包括壓縮機、中體、氣缸、洗滌罐、緩沖罐、管道等）用管單元和梁單元模擬。主要部件之間的連接（包括壓縮機身和中體的連接、中體和底部支撐結(jié)構(gòu)的連接、洗滌罐和底部支撐結(jié)構(gòu)的連接、壓力容器筒體和管嘴的連接等）則分別采用上述有限元剛度計算值和一般剛度假設(shè)值進行模擬。圖5給出了完整的壓縮機系統(tǒng)機械分析模型。表4給出了對應(yīng)2種不同剛度模擬計算得到的系統(tǒng)固有頻率和振動力響應(yīng)分析結(jié)果。

從上面分析結(jié)果可以看到，如在洗滌罐與底部支撐梁結(jié)構(gòu)連接處采用一般剛性連接假設(shè)值，計算得到的洗滌罐一階固有頻率為61.4 Hz（如圖6）。但如采用有限元分析計算得到的剛度值，洗滌罐的一階固有頻率僅為18.3 Hz（圖7），兩者誤差達到235%，見表5。在壓縮機運行轉(zhuǎn)速為990 r/min時，采用有限元分析計算剛度值得到的洗滌罐一階固有頻率靠近壓縮機運行轉(zhuǎn)速一倍頻，安全裕量小于10%，需要采取增加支撐、調(diào)整頻率等措施以避免發(fā)生機械共振。但如果是采用一般剛性連接假設(shè)值，計算得到的洗滌罐一階固有頻率高于2.4倍的壓縮機運行頻率，根據(jù)API618規(guī)范要求，可不需要進行調(diào)頻或進一步的振動力響應(yīng)分析。由此可以看出，采用一般剛性連接假設(shè)值的系統(tǒng)分析計算結(jié)果給壓縮機實際運行帶來了非常高的風(fēng)險。

圖8和圖9分別給出了使用一般剛性連接假設(shè)值和有限元連接剛度計算值，計算得到的洗滌罐力響應(yīng)振動位移幅值?？梢钥吹剑罢叩恼駝游灰品岛苄?，接近為0，不需要采用振動控制措施。而后者的振動位移幅值則較大，需要采用相應(yīng)的振動控制措施。兩者計算結(jié)果有明顯差別。

圖5 壓縮機系統(tǒng)機械分析模型

表5 計算的系統(tǒng)固有頻率和振動力響應(yīng)分析結(jié)果（振動幅值）比較

圖6 洗滌罐一階固有頻率61.4 Hz（假設(shè)值）

圖7 洗滌罐一階固有頻率18.3 Hz（有限元值）

圖8 洗滌罐振動幅度0.00 mm（假設(shè)值）

圖9 洗滌罐振動幅度0.10 mm（有限元值）

4 結(jié)論

在往復(fù)壓縮機組的API618第五版方法三分析中，系統(tǒng)固有頻率和振動力響應(yīng)分析計算結(jié)果直接決定了采用的機械振動控制方案，因而具有十分重要的作用。本文提出的應(yīng)用有限元法計算機組系統(tǒng)主要部件之間連接剛度，從而提高系統(tǒng)固有頻率和振動力響應(yīng)分析計算結(jié)果準確性的方法，為確定合適的機械振動控制方案，保證機組安全運行提供了一個十分有效的手段。

本文的分析實例說明，使用有限元計算的連接剛度值和一般連接剛度假設(shè)值，系統(tǒng)的固有頻率和振動力響應(yīng)分析計算結(jié)果會有明顯差別，同時也導(dǎo)致相應(yīng)的機械振動控制方案產(chǎn)生明顯的差別。使用一般連接剛度假設(shè)值常常使得計算的系統(tǒng)固有頻率高于其實際值，有可能使得本應(yīng)對機組系統(tǒng)進行調(diào)頻處理的需求變得不再需要，給機組實際運行帶來高的風(fēng)險和隱患，而本文提出的方法則可有效避免這一風(fēng)險。