管道应力对离心式压缩机轴振动的影响

陈宝冬，邵笑音

（1. 天津市石建工程建设监理有限责任公司，天津 300270； 2. 天津天海石化设备制造有限公司，天津 300356）

管道应力对离心式压缩机轴振动的影响

陈宝冬1，邵笑音2

（1. 天津市石建工程建设监理有限责任公司，天津 300270； 2. 天津天海石化设备制造有限公司，天津 300356）

武汉石化 80 万 t/a 乙烯项目线性低密度聚乙烯装置，离心式循环气压缩机首次单机试运行，试运行期间出现轴承振动过大的现象。在其后的现场检查和技术分析确定为压缩机入口管线存在应力，经过对管线进行改造后，消除了轴振动异常的问题，设备运行平稳。

循环气压缩机；轴振动；管道消应力；找正

循环气压缩机是线性低密度聚乙烯装置的核心设备，类型为离心式压缩机(图 3)。型号 DH9M，标准流量 414 612 m3/h,输出功率 4 900 kW，介质为烃混合物。

一般来说，管系为三维空间走向，且受力及位移受外界影响较大，但管系承受的主要载荷可分为以下四类：

（1）压力载荷：可能在几种不同压力、温度组合条件下运行的管道。

（2）持续外载：包括管道基本载荷（管子及其附件的重量、管内介质重量、管外保温的重量等）、支吊架的反力、以及其他集中和均布的持续外载。

（3）热胀和端点位移：管道由安装状态过渡到运行状态，由于管内介质的温度变化，管道产生热胀冷缩使之变形；与设备相连接的管道，由于设备的温度变化而出现端点位移，也使管道变形。

（4）偶然性载荷：包括风雪载荷、地震载荷、流体冲击以及安全阀动作而产生的冲击载荷。这些载荷都是偶发性的临时载荷，且与本次所涉及的问题无关，在这里不予考虑。

1 故障经过及现象

循环气压缩机经过前期的单机试运行后进入单机带负荷运行阶段，试运在 2009 年 11 月 5 日上午10：18 开始，环境温度 5 ℃，设备启动平稳，无明显噪音及振动，压缩机入口压力 0.5 MPa，介质温度 35 ℃。升温 2 h 左右，达到 88 ℃的操作工况。整个试运行于 14：10 结束。试运行全程现场状况平稳正常，但通过 DCS的观察发现压缩机的推力轴承振动探头 VZE41003A 的平均振动值 36.6 μm 明显偏大且大于技术协议 25 μm 的设计值（图 1）。

图 1 轴振动曲线Fig.1 Shaft vibration curve

2 原因分析

通过对运行数据的分析以及之前几次试运转的数据对比，本次运转与以往的最大不同在于本次试运是在升温的情况下进行的，现场环境为冬季，管线的热胀冷缩变形较明显且运行压力为 0.5 MPa，属于低负荷运行，所以温升的影响因素较大。怀疑是由于设备及管线的温度升高，产生膨胀导致对中不准。

从图1中可以看出，曲线1在启动之初的振动值就大于其他各点，但随着时间的推移，曲线逐渐走高。而这段时间正是管线系统温度的时间段。说明管线与压缩机之间存在一定的应力，而管线的升温变形使应力进一步加大，继而导致压缩机的振动值偏高。在进行了初步的技术分析后于11月7日对循环气压缩机的出入口管线螺栓进行了放松以使管线达到无应力状态，并对压缩机进行了再次的找正，发现压缩机比试运前偏移，成上开口，（如图 2） 。结果表明在热态运行下管路存在应力，且施力方向向上，这就需要对压缩机的入口管线做出一定的调整。

图 2 偏移后趋势Fig.2 After migration trend

3 管道消应力

根据分析结果，在压缩机不启动的情况下对管线系统进行了升温，以模仿上次运行工况，对现场的检查发现，升温后管线膨胀明显，总体呈上升状态，管线的膨胀节 c（见图 3）呈伸展趋势，说明管线在轴向上拉伸较大，因为膨胀节南侧管线较长，且其中支撑点较多，在管线受热时并未按照原先设计时所设想的向压缩机一侧膨胀，而是相反方向对管线进行了拉伸,膨胀节由原有的柔性状态转变为刚性状态，使其失去了吸收应力的作用，从而降低了整个管线的挠度。支撑膨胀节和压缩机入口的弹簧支架 a、b（见图 3）的刚度较大，在管线膨胀的过程中并没有吸收管线因热胀所产生的形变而是成为了一个刚性的支撑，当管线受热后会整体膨胀，但因为下方的弹簧支架a、b的弹性变形不足，管线向下的膨胀力无法得到吸收，继而向上运动，又因膨胀节失效，所以管线整体上移，导致压缩机程上扬趋势，继而影响到压缩机的轴振动升高。通过对现场情况的分析，准备对压缩机的入口管线做出改造。首先通过千斤顶将管线向压缩机方向轴向移动（即管线轴向北移），在管线上方增加一个垂直吊杆d（见图 3），以分担管线重力，使膨胀节达到自由状态。同时调整弹簧支架 a、b使其在冷态的状态下能够和压缩机的入口形成无应力。

在整个对接的过程中需用千分表对管线法兰和压缩机的入口法兰的平行度和垂直度进行监测，以确保整个对接在径向和轴向是无应力的，同时在压缩机本体的轴向、径向及东西水平方向上都打千分表，以观察管线在上紧螺栓的过程中是否对压缩机存在应力影响。（径向和轴向的千分表基座安装在压缩机的主电机上，以防止在安装过程中压缩机和主电机的对中出现偏差）在安装完成后对循环气压缩机进行了再次运转，工况和第一次试运相同。

图 3 压缩机改造示意图Fig.3 Schematic diagram of compressor transformation

4 二次试运行

在对管线进行了设计改造和应力消除后，于2009 年 11 月 9 日对循环气压缩机进行了二次试运。并对上次运行中所出现问题的 VZE41003A 轴振动异常点作为本次运行的重点监测。运行结果如（图 4）。

图 4 轴振动曲线Fig.4 Shaft vibration curve

由图我们可以对比出：首次试运时轴振动（图1）在经过管线消应力改造后，已经由原来的 36.6 μ m 降到了现在的 17.3 μm（图 4）并且通过前后两次运行的数据对比，我们可以发现 41001A/B 两点的振动值较管线改造之前的 10.4、7.1 μm 变为现在的 8.8、8.2 μm。这两个振动探头是在轴两侧对称安装的，说明管线在经过消应力改造后，压缩机主轴是在一个平稳的状态下运行，没有发生偏移的现象。

5 结束语

通过对线性低密度聚乙烯装置循环气压缩机管线应力问题的分析过程和解决方式，我们可以得出：

（1）管线应力的存在对设备的稳定运行会造成影响。

（2）存在温升情况的设备在冬季首次运行时要考虑热膨胀对管线形变及设备对中的影响。

（3）可以通过合理的改造使膨胀节和弹簧支架在管道应力的吸收上发挥更大的作用。

（4）本次问题的分析方式和解决方法可以在类似问题发生时作为参考，同样适用于一些大型设备和机泵的振动诊断及解决。

［1］ 张德姜，王怀义，刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册[M].北京：中国石化出版社,2005-07-01.

［2］王书敏 ，何可禹. 石油化工设备技术问答丛书, 离心式压缩机技术问答[M].第二版.北京：中国石化出版社, 2006-05．

［3］唐永进.压力管道应力分析[M]. 北京：中国石化出版社,2003-12-01．

［4］宋岢苛.工业管道应力分析与工程应 [M]. 北京：中国石化出版社2006-05-01.

［5］董其伍,等.过程设备设计[M]. 北京：中国石化出版社, 2006-05.

Effect of the Pipeline Stress on the Shaft Vibration of Centrifugal Compressors

CHEN Bao-dong1，SHAO Xiao-yin2
（1. Tianjin Shijian Engineering Construction Supervision Co., Ltd.,Tianjin 300270，China；2. Tianjin Haitian Petrochemical Equipment Manufacturing Co., Ltd.,Tianjin 300356，China）

In linear low density polyethylene unit of 800 kt/a ethylene project in Wuhan Petrochemical company, intense vibration phenomenon of the bearing in the centrifugal circulating compressor appeared during the first trial operation. On-site inspection and technical analysis proved that the pipeline stress at the compressor entrance was main reason to cause the vibration phenomenon. After transformation of the pipeline, the abnormal shaft vibration problem was eliminated.

Circulating air compressor; Shaft vibration; The pipeline stress relieving; Alignment

TQ 050

： A文献标识码： 1671-0460（2014）07-1247-02

2013-11-21

陈宝冬（1983-），男，安徽安庆人，助理工程师，2007 年毕业于辽宁石油化工大学校过程装备专业，研究工程安装及监理：从事工程安装及监理工作。E-mail：chbd_8310@163.com。