天然气发动机排烟管线的振动原因与改造

孙云波

(海洋石油工程股份有限公司)

天然气发动机排烟管线的振动原因与改造

孙云波*

(海洋石油工程股份有限公司)

某海上石油平台天然气压缩机、发动机排烟管线振动，导致管线弯头出现疲劳断裂，噪音和振动加剧，严重影响了海上石油平台的安全运行。对出口管线振动的原因进行了分析，并对管线设计和施工进行了优化，确保了天然气发动机和压缩机正常平稳运行。

天然气发动机管线振动疲劳断裂压缩机弯头法兰

随着海上油田开发的不断深入，原油生产中的伴生气也逐渐被利用，在为平台压缩机提供能源动力的同时，还可进行压缩外输。由于天然气发动机及压缩机的振动特性，以及海上平台钢结构的特点，设备振动和流体脉动、冲击，都会对橇块内进出口管线产生影响，造成疲劳断裂、噪音、气体泄漏等风险。本文根据渤海某平台上卡特彼勒天然气发动机出口排烟管线的断裂原因分析，提出了优化改进措施和解决振动问题的方法。

1 项目概况

渤海某BOP平台有天然气压缩机共3台，采用卡特彼勒G3608LE和Ariel JGC/4-3机组。在运行过程中，排烟管线一直受到气流脉动、高温、振动等因素影响，存在较为严重的振动问题。机组投运1年后，原配的排烟管多处断裂。后按照原设计采取了更换新管线、增加壁厚和加设固定支架等措施。但运行3个月后，再次出现裂纹，接头损坏。

2 疲劳断裂的故障检测与分析

2.1 现场检测

发动机尾气由涡轮增压器出口排放，出口温度高。排烟管线使用不锈钢材料，出口处连接不锈钢膨胀节、波纹管，管线在轴向具有一定的温度变形补偿和振动补偿能力。撬块排烟系统末端为JC-20型缓冲消音器。

现场踏勘发现：管线振动剧烈，出口弯头中心均出现裂纹、断裂，断裂面呈明显的疲劳断裂状；管线出口波纹管、膨胀节均出现裂纹损伤。

图1 天然气压缩机

2.2 故障原因分析

卡特彼勒G3608天然气发动机，直列8缸、4冲程、涡轮增压，2370 bhp，转速为1000 r/min。

发动机的工作特点为排气呈间歇性和周期性变化。在排气阀打开瞬间，排气以一定的压力急剧冲入排气管，管内气体呈脉动状态。脉动的气流沿管道输送，遇到弯头和异径管时产生激烈的压力脉冲。此外，排气还产生自振和涡流，引起相应的振动、激振力。受此激振力作用，管道系统便产生一定的机械振动响应，气流脉动越强，管道振动的位移峰值就最大。

压力脉动的大小由压力不均匀度δ来度量：

δ=（pmax-pmin）/p0

式中pmax——不均匀压力的最大值，MPa；

pmin——不均匀压力的最小值，MPa；

p0——平均压力，p0=（pmax-pmin）/2，MPa。

管道振动的第二个原因是共振。由于海上石油平台均由钢结构构成，各类机械设备的自身振动很易传递。当各类设备激发频率与管道固有频率相同时，就能产生共振，共振对管线的影响极大。一般在平台设计之初，就要对设备、管线振动频率进行核算，通过改变支架位置和数量的方法，改变管线固有频率，以免发生共振。但是海上石油平台在建造投产后，常会有一些升级改造工作，届时如果不注意这些影响，就会产生这类振动或共振问题。

检查发现，管线设计和施工还存在如下问题：

(1)弯头弯曲半径过小。排烟管线出口弯头处，厂家采用直角弯头，导致气体急剧换向。

(2)支撑刚度不足。原支撑较高，且有悬空，未落地生根，因此刚度不足。

(3)管线连接形式不当。原连接为卡箍形式，管口外侧焊接窄边钢带，利用卡箍夹紧两钢带固定。强度较低，不易锁紧，容易产生松动，而且钢带焊接处长时间振动易断裂。

(4)消声器进口法兰与发动机排烟出口不在同一中心线上。排烟管线安装完成后，管线偏转，存在应力集中。

3 防振设计和施工改进措施

(1)出口法兰处加孔板。排烟口法兰处加孔板是消除管道气流脉动以及管道振动的有效措施。孔板孔径比经验式为

式中，d为孔板内径，D为管道内径，h为孔板厚度。孔板的材质与管道材质相同，孔板内径边缘处保留锐利棱角。

(2)改进管卡结构。合理地设计管卡结构，能够减小管道的振动。采用防振管卡，增大管卡与管道之间的接触面积，使管卡能够卡紧。管卡与管道之间衬以3 mm厚石棉橡胶垫，限制管道的位移，以减小排烟管线的振动。

(3)在波形补偿器后安装356 mm×508 mm异径管，后续排烟管线管径由356 mm改为508 mm。

(4)增大弯头弯曲半径，减少排气流动阻力，具体如图2所示。

图2 出口异径管及弯头改造

(5)加强支撑刚度，采用门式支架。在水平热补偿器处增加支撑，并在管卡和管道之间衬石棉橡胶垫。在管线安装时，调整法兰、管道中心线使之一致，不得强力安装或扭转安装。

4 效果评价

经过这次改造后，三台发动机排烟管线均取得了明显的减振效果，排气噪音得到有效降低。这次改造对设备的运行无影响，保障了海洋石油平台的安全运行。

Vibration Cause and Reconstruction of Exhaust Gas Pipeline of Natural Gas Engine

Sun Yunbo

The exhaust pipes vibrations of the natural gas compressor and engine of an offshore oil platform resulted in the fatigue fracture of pipeline elbows,and the intensified noise and vibrations seriously affected the safe operation of the offshore oil platform.The vibration reasons of outlet pipelines were analyzed,and the design and construction of pipelines were optimized to ensure the normal operation of nature gas engine and compressor.

Nature gas engine；Pipe line；Vibration；Fatigue fracture；Compressor；Elbow；Flange

TQ 055.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.008

2016-03-04）

*孙云波，男，1985年生，工程师。天津市，300452。