王海彬

（惠生工程中國有限公司，上海 201210）

在工程設(shè)計(jì)中，對流量比較小，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，維修量大等問題。振動(dòng)在往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行過程中是非常復(fù)雜的事情，也是工程設(shè)計(jì)中非常頭疼的問題，一但與之相接的進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)不合理就會加大壓縮機(jī)的振動(dòng)甚至還會引起共振，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；測量儀表及導(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)過大，導(dǎo)致激振力過大，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；減少彎頭數(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。

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間配管方案，包括各級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，并有責(zé)任與制造廠商就修改意見達(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CAESER II工具對管道布置及支架設(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)對于壓縮機(jī)制造廠商提出的修改意見，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，盡量減少彎頭數(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)備接口沒有采取柔性連接，配管也沒有滿足管道的柔性，管道偏心不均衡，管架設(shè)計(jì)不合理，缺少彈簧支架，而且壓縮機(jī)制造廠沒有經(jīng)過振動(dòng)計(jì)算。開車時(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)合起來進(jìn)行了管系的振動(dòng)計(jì)算，在滿足開車進(jìn)度的要求下，盡量少修改配管，經(jīng)過以下優(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，但可以通過局部瞬時(shí)高壓來降低壓力不均勻度。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

目前在新建的化工裝置中對運(yùn)行的穩(wěn)定性提出了苛刻的要求，對于管道的種類和數(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。