压缩机复杂底橇结构模块化与参数化分析设计

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

压缩机复杂底橇结构模块化与参数化分析设计

赵刚，冯金强，赵波，冯香

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

针对往复式天然气压缩机橇块的底橇结构，详细阐述了在其强度分析计算过程中所应考虑的各种载荷工况，利用ANSYS参数化设计语言APDL对底橇的强度分析计算过程进行了模块化与参数化设计，将建模、加载以及求解过程定义为若干个可调用的参数化模块。此设计方法不仅可以实现不同底橇结构在相似载荷条件作用下的快速建模与求解，而且可以推广至其它有限元分析设计领域的应用当中。

压缩机； 底橇结构； 强度分析； 模块化； 参数化； APDL

往复式天然气压缩机橇块作为特定的橇装工艺单元，主要用于实现天然气的单级或多级压缩功能。以电驱往复式天然气压缩机橇块为例，橇内主要工艺设备包括主驱动电机、往复式压缩机、吸/排气缓冲气瓶、入口与级间洗涤器、级间冷却器以及工艺阀门与管线等。

往复式压缩机的工作原理决定了机组在运行过程中会不可避免地引发振动问题，而振动的根源不仅来自机械振动本身，而且还包括气流脉动所引起的振动。因此，往复式天然气压缩机橇块的底橇结构不仅需要满足整橇吊装与运输过程中的强度需求，而且还要满足橇块在操作工况下对底橇强度与刚度的需求，尤其是对于压缩机运行时整橇放置于钢结构基础上的情况。

针对往复式天然气压缩机的底橇结构，列举了设计过程中涉及的分析工况，并对其建模、求解以及工况间的转换采用了模块化与参数化的分析设计方法。通过编写并调用相关的参数化模块，不仅实现了压缩机复杂底橇结构在强度计算方面的参数化设计，而且最大限度地减少了各种工况间转换所需修改的内容，提高了分析计算效率。

1 往复式天然气压缩机橇块简介

根据往复式天然气压缩机气体压缩的级数、气体处理量及功率不同等，会使得橇内设备在数量和尺寸上存在一定的差异，从而影响底橇的结构和总体尺寸。一般而言，往复式天然气压缩机橇块的底橇长度为10 m左右，宽度为4～7 m，主体承载结构为标准规格的H型钢。橇块的整橇质量一般为数十吨,甚至近百吨，且机组对底橇的变形要求较为严格。因此，在往复式压缩机成橇设计过程中要特别关注底橇结构的应力与应变情况。

以某海洋石油平台上的往复式天然气压缩机橇块为例，其底橇规格(长度×宽度)为10.5 m×6.5 m，主梁采用规格为HN 500×200×10×16的H型钢，材质为Q345B。该压缩机橇块为一级压缩，整橇净质量为98.6 t，整橇的三维总体布置示意图见图1，底橇结构及尺寸见图2。

图1 天然气压缩机橇块总体布置图

2 计算工况分析

影响往复式天然气压缩机底橇强度的工况主要有吊装工况、运输工况以及操作工况。不同工况下，底橇所承受的载荷大小及载荷作用方式均存在一定程度上的差异。

2.1吊装工况

吊装工况为影响底橇强度的主要危险工况之一，该工况下一般取动载系数为2.0。此时，底橇主要承受竖直方向的重力载荷以及吊装过程中吊索对底橇所施加的横向载荷。

吊装工况下只包含一个子工况，定义为LC101，见表1。表1中，“+”代表正方向，空白代表该项不存在。

只见上面用毛笔写道：为了倡导文明风尚，反对大操大办，本家孙子取（“娶”被柳知客误写为“取”）亲，决定从简，希本组姓柳的各家只来一人即可……

表1 吊装工况下的子工况

2.2运输工况

往复式天然气压缩机橇块在陆运或者海运的过程中，除了要承受设备的重力载荷外，还要承受来自3个方向的加速度载荷与水平方向的风载荷。

将上述载荷分别进行组合后，可以得出运输工况下的8个子工况见表2。表2中，“+”代表正方向，“-”代表负方向，空白代表该项不存在。

表2 运输工况下的8个子工况

通常，加速度载荷按陆运取值，水平轴向与横向加速度均为0.65g，竖直方向加速度为0.5g，并与设备自重的加速度线性叠加。风速取50 m/s的最大风速，并按GB 50009-2012《建筑结构载荷规范》计算风载荷[1]。

2.3操作工况

往复式压缩机机组在正常运行的过程中，所承受的载荷情况较吊装工况与运输工况更为复杂，主要包括设备自身的重力载荷(操作重量)、竖直方向的动载荷、3个方向的地震加速度、水平方向的风载荷以及机组运行过程中产生的不均衡力与力矩。

将上述载荷分别进行组合后，可以得出操作工况下的8个子工况，见表3。表中，“+”代表正方向，“-”代表负方向，空白代表该项不存在。

表3 操作工况下的8个子工况

一般取3个方向的地震加速度为0.2g，并与设备自重的加速度线性叠加。风速取值为当地百年一遇的最大风速，并按GB 50009-2012计算风载荷。机组的不均衡力与力矩主要针对压缩机与电机本身，动载荷为均布的固定载荷。

3 底橇结构模块化与参数化建模[2-12]

往复式天然气压缩机橇块内工艺设备繁多、管线走向复杂，原则上要求所有设备和管线支架均需牢固焊接在底橇型钢的翼缘上，以达到有效控制橇内振动的目的。因此，底橇结构往往非常复杂且缺少一定的规律性，从而给分析建模工作带来了一定的困难。

文中对于复杂的底橇结构，以模块化和参数化的建模分析思路进行拓展，采用梁单元(BEAM189)对底橇结构进行建模求解，过程如下。

3.1底橇结构线模型建立

基于底橇上主梁的中心位置，建立压缩机底橇结构的线模型。通过归纳总结可以发现，压缩机底橇结构的线模型总是由不同规律的矩形任意组合而成。因此，为了简化模型的建立过程，提高该过程的参数化程度，利用APDL命令流，定义了若干不同形式的矩形线模型，用来作为压缩机底橇结构线模型的子单元。这些子单元包括内部带十字交叉线的矩形(图3)、内部若干直线完全平行于底边的矩形(图4)、以及内部若干直线完全垂直于底边的矩形(图5)等。

图3 内部带十字交叉线的矩形

图4 内部若干直线完全平行于底边的矩形

图5 内部若干直线完全垂直于底边的矩形

以图3所示的内部带十字交叉线的矩形线模型为例，在调用该子单元模型时，共有7个驱动参数，分别为点K1沿x轴的坐标、K1沿y轴的坐标、K1沿z轴的坐标、K1与K5间的距离、K1与K2间的距离、K1与K8间的距离以及K1与K4间的距离。只需修改对应的驱动参数，即可快速完成不同线模型的建模工作。

3.2赋予线模型截面属性

需要对已完成的线模型赋予截面属性。同样，利用自定义APDL程序模块，可以实现对框选范围内的所有直线定义截面属性，并通过定义方向控制关键点KB与KE来达到调整梁截面方向的目的。该程序模块共有8个驱动参数，可以将所选区域内梁截面的方向进行统一。

3.3调用子程序

通过在主程序中调用各子程序模块，并修改相应的驱动参数，可以快速、准确地完成复杂底橇结构的建模。

综合而言，模块化与参数化的建模分析方法，不仅缩短了建模时间，而且便于对程序进行维护，尤其适用于复杂结构的分析设计工作。

4 分析计算工况定义

由前述分析可知，往复式压缩机底橇强度的计算工况共有17种，且每种工况下的作用载荷均不相同。若不对所有工况与整体分析设计思路进行综合考虑，则这17种工况下的载荷计算与加载工作将十分繁琐，而且很难有效地将其复制到其它项目的应用之中。

为此，文中在总结每种工况下载荷作用规律的基础上，将所有工况下的关键载荷计算公式定义在一个N×6×17的三维数组中，其中，N代表每种工况下共有N处区域承受集中载荷的作用，6代表每个区域所承受的3个方向的力与3个方向的弯矩，17代表共有17种工况。同时考虑到梁模型所受自身重力载荷也会根据工况的变化而变化，将重力加速度的变化规律也定义在一个3×17×1的三维数组中。其中，3代表3个方向的重力加速度，17代表17种工况。两个三维数组定义工况的顺序均相同，并以J=i(i=1,2,3,…,17)分别作为每种工况的代号，其具体表示方法见表4。

表4 17种子工况及其代号

在分析过程中，通过在主程序中调用数组中的不同元素(修改代表子工况代号的J值)，即可实现各种工况间载荷计算的切换。将各种工况定义在三维数组中，可以使各种工况间的关系变得可视化，更容易理解它们相互之间的关系。重要的是该方法具有很强的可移植性，避免了针对不同底橇结构重复计算各种载荷所带来的麻烦。

5 模块化与参数化分析设计的应用

针对前述某海洋石油平台上的往复式天然气压缩机橇块，采用模块化与参数化分析设计方法对其底橇强度进行计算[13，14]。

根据NB/T 47003.1-2009《钢制焊接常压容器》的规定，材质为Q345B的型钢在常温下的抗拉、抗压和抗弯许用应力为235 MPa，底橇结构的最大变形值不允许超过底橇短边长度的1/360(即18.06 mm)[15，16]。

一般而言，吊装工况是最危险的工况之一。取J=1(整橇吊装工况)，计算求解后得到的底橇结构的应力、应变结果分别图6，压缩机底橇位于吊耳附近的最大应力点结果见图7。

图6 压缩机底橇的应力及应变云图

图7 压缩机底橇位于吊耳附近的最大应力点位置

从图6a可以看出，压缩机底橇最大应力点发生在吊耳附近(属于局部应力)，最大应力值为212.3 MPa(图7)，小于235 MPa的许用应力。从图6b可以看出，压缩机底橇最的大应变值为13.8 mm，小于18.06 mm的许用应变值。因此，该底橇强度满足设计要求。

6 结语

对于复杂的压缩机底橇结构，在对其进行强度分析的过程中，基于APDL命令流，并采用模块化与参数化的有限元的分析设计方法，可以将分析过程中存在的共性问题以参数驱动的模块表示，从而可以避免在不同的工程项目中重复进行繁琐而又相似的分析过程。采用该分析方法不仅可以极大地提高工作效率，而且还可以尽可能降低分析过程中出现的差错率。

该分析设计方法的理论基础完全基于APDL命令流，计算过程及结果数据可靠，并已在实际的工程项目中开始使用。

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(GB 150.1～150.4—2011,Pressure Vessels[S].)

(许编)

ModularizationandParameterizationDesignforComplicatedStructureofCompressorSkid

ZHAOGang,FENGJin-qiang,ZHAOBo,FENGXiang

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

All the load cases considered during strength calculation for main skid of reciprocating compressor were described in details. And the APDL commands were used to make the process of strength calculation be modularization and parameterization. In order to achieve that, the processes of modeling, loading and solving were taken apart into several sections which can be used with APDL commands. This design method can not only be used to achieve in modeling and solving quickly for different structures with similar load conditions, but also can be extended to other design fields with FEA.

compressor; main skid structure; strength analysis; modularization; parameterization; APDL

TQ050.2； TE965

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.01.006

1000-7466(2017)01-0029-05

2016-08-01

赵 刚(1986-)，男，河北唐山人，工程师，硕士，主要从事石油化工行业中的压力容器设计及往复式压缩机成橇设计工作。