往复式压缩机管道设计

杨兆祥

(中石化广州工程有限公司,广东 广州 510000)

压缩机作为石油化工装置的核心设备，若管线的布置与规划不合理，会引起振动问题，振动可能产生在压缩机的不同部位，有害振动经常出现在气缸，缓冲器，气油分离器，管道，支架和基座等部位以及液面监视窗，浮标和温度仪等小口径分支，很容易出现断裂，甚至造成气体泄漏，有害振动会对压缩机及其他部件造成过高应力，因而导致疲劳破坏，如管道，管口和油气分离器破裂；管道夹具和螺栓破损；曲轴断裂；压缩机站失火等。损坏的部件因部位的不同，会导致少则数天多则数月的非计划停产，更换主轴或缓冲器等重要部件常需数个星期，与之相关的维修费用及停产损失会使用户蒙受巨大损失，有些时候，一个小小的振动会引起连锁反应，忽视振动问题，可能会导致巨大的安全隐患，以及同样巨大的经济损失。

本文结合某厂210万t/a加氢处理装置中所用的新氢压缩机的管道设计过程，对相关标准规范进行了归纳，并对遇到的设备布置与管道设计问题进行了探讨。

1 往复式压缩机常用管道设计规范

为了处理好管内流体脉动或激振力引起的振动问题，在往复式压缩机的配管设计中，应满足一些适用于压缩机的设备布置与管道布置的设计规范。另外，为了更好的解决或避免管线振动问题，除了对压缩机进出口管线进行常规的一次应力与柔性分析外，还需要采用相应的振动分析规范对管路进行振动分析。

1.1 设备布置与管道布置规范

SH3011-2011在其5.10章节对压缩机的布置做了专门的规范要求。适用于往复式压缩机的主要的要求为[1]：压缩机及其附属设备的布置应满足制造厂的要求；压缩机附属设备宜靠近机组布置；可燃气体压缩机的布置及厂房设计应满足相应规定(详见规范中5.10.3条)；往复式压缩机安装高度除满足该规范的5.10.5条规定外，为了减少振动，安装高度应降低；压缩机吊装机的选用应满足相应规定(详见规范中5.10.10条)；压缩机的基础应当与厂房结构的基础分开，等等。

SH3012-2011在其5.9章节对压缩机的管道布置做了专门的规范要求。适用于往复式压缩机的主要要求为[2]：压缩机周围的管道布置不应影响压缩机的的吊装与检修，并留有相应的检修空间；压缩机进出口管道布置在满足管道柔性及管口的作用力和力矩的条件下，应使管道短，弯头数量少；往复式压缩机入口过滤器布置要求(详见规范中5.93条)；往复式压缩机进出口管道应进行振动分析，并应使管道的固有频率避开管道的气柱固有频率计及机器的激振频率(相应的措施见规范中5.94条)；往复式压缩机进口管道布置要求(详见规范中5.95条)；往复式压缩机进出口管道宜沿地面敷设，并增加管架的刚度。

SH3059-2012对含有氢气管线材质选择规定如下：对操作温度等于或高于200℃，介质中含有氢气的碳钢和合金钢管道，应根据管道最高操作温度加20～40℃的裕量和介质中氢气的分压，根据Nelson曲线选择合适的抗氢材料。

1.2 管道柔性设计与振动分析规范

SH3041-2002中2.12条中规定往复式压缩机进出口管线应进行柔性设计，还应考虑流体压力脉动的影响。

GB50316-2000(2008版)中第9章节为金属管道的柔性设计规定，第10章节为管道支吊架设计规定。该规范9.61条中提供的常用的改善管道柔性方法为：调整支吊架的形式与位置或改变管道走向。

振动分析常用标准为API618 。API618-2007中7.9章节提出了三种进行脉动分析的方法。制造厂多使用第三种设计方法进行脉动分析。第三种设计方法为声学模拟和管路约束力分析，加上力学分析(若有必要进行带强制机械响应的分析)。API618中对管路设计振动量限制如下：对频率低于10Hz的许用振幅为0.5mm；对频率在10到200Hz的许用振动速度为32mm/s(峰-峰值).

郭文涛[3]认为：API618第五版较第四版能提供更多的关于脉动分析与振动控制的判定依据，但API618给出的准则为往复式压缩机的最低要求；考虑到工程风险，需要业主、设计方、制造商进行协调以确认相互认可的判定值。

孙树福等人[4]在其文章中介绍了往复压缩机管线振动分析的流程，其在振动分析中倾向于采用《容积式压缩机技术手册》中所推荐的双振幅图谱(见下图1)，其认为采用这种判定方法是考虑到了振动对机组的严重危害性。

《容积式压缩机技术手册》给出图1所示的数据使用条件为[5]：适用于一般制造良好的管道，对要求严格的管道或安装有未紧固的支管等情况，需要另外考虑。

图1 管道振幅(双)的许用值和危险值

上图1中，线1为平均感觉界限，线2为设计，线3为介于两者之间，4线为要修改，5线为危险。

2 设计中遇到的问题探讨

该原料加氢处理装置中所用的往复式新氢压缩机型号为：4M125-35.9/24-185-BX。按照工艺PID，该型号压缩机在原料加氢装置中使用三台，两开一备。该压缩机编号为C4201A/B/C，每台压缩机都有一个独立的一级入口分液罐；三台压缩机的出口最后合并为一根管线后接入同在压缩机厂房的循环氢机出口管线中。

2.1 设备与厂房布置

压缩机机型比较大的时候，常采用二层平台布置，这样做不仅便于压缩机及其附属设备的检修与吊装，也便于机组附近的厂家所带管线的日常维护操作。

二层平台布置增加了厂房内的结构立柱。限于SH3011中对压缩机主机基础与厂房结构基础分开的要求，若压缩机基础结构或设备布置不合理，在机组附近增加立柱常有一定难度。因而详细设计阶段中的压缩机设备布置，宜考虑留出支撑二层平台的结构立柱空间，同时考虑留出地下管线的布置空间，这样可减少设备位置的再次调整。压缩机的附属设备的布置通常有两种主流形式[6]：一种是将分液罐和冷凝器布置在压缩机棚/厂房外；另一种是分液罐和冷凝器布置在压缩机棚/厂房内，两种布置方式见图2。本装置采用将分液罐和换热器放在厂房外的布置方式。

厂房轨顶高度计算结果见表1。根据压缩机机体情况，取行车越过障碍物的高度为11000mm。采用吊钩到吊件距离与被吊部件高度累加的计算方法(这种计算方法比吊钩加起吊板计算的高度更高)。采用表1计算出的厂房高度，实际起吊检修件的时候可以采用吊钩加起吊件方式或使用吊钩加起吊板方式。根据计算结果，提给土建专业的厂房轨顶高度取15.5m。

表1 厂房轨顶高度计算

本装置中检修区留有一处，吊装孔在新氢机与循环氢机之间。根据最大检修部件大小，将检修区定为为6m长5m宽；为便于吊装部件的进出，吊装孔大小为6m长6m宽。

2.2 管道设计

本装置中除三级出口温度达到124℃以外，其他各级进出口管线温度都不高。因而三级出口管线和三级出口返回线的管道设计可以作为管线柔性设计的重点。

在本装置设计中，三级出入口的管道设计为规划方案反复修改的重点。新氢压缩机的机体分别有两个三级入口和两个三级出口气缸。机身三级入口接管管径为DN200，三级出口接管管径为DN150.三级出入口的气缸距离地面较高，因而在该级出入口管线的立管上有设置防振管卡的必要。在立管上设置防振管卡，其管墩的基础应避开厂房结构立柱基础或压缩机基础。在与土建专业以及地管专业沟通后，才能更好的完成此处的管线布置。

关于三台压缩机三级出口汇合方式，避免采用两两分支直接正对汇合，这样会使管线内气柱发生碰撞，增大管系振动风险，理想状态是将一支作为主管，其它两支顺介质流向45度斜接至主管，因压力较高，45度斜接比较难实现，本装置采用直三通侧面汇合方式。因管架刚度较小，汇合之后的主管不宜直接上管架，应沿地面走尽可能长的距离，沿地敷设管墩，设置防振管卡。

厂家选定的一级入口过滤器为Y型过滤器(DN250)。本装置中将过滤器放在了靠近压缩机一级入口管嘴处。这样布置便于在二层平台下进行过滤器的抽芯等日常操作。

2.3 管道支架设计

设计过程中，设计方发振动分析委托给制造厂，由制造厂负责管道的振动分析。以沈阳鼓风集团为例，其振动分析采用API618的设计方法3。其在对压缩机管道进行振动分析前，会对管线进行一次应力与二次应力的分析。

根据厂家的振动分析结果，部分管卡的位置需要调整，三级出口管线和一级返回线上机前管桥的管卡位置与型号需要进一步优化。从返回结果看，温度高的三级出口要注意不要超过管道的柔性设计要求，支架的选择要合理；一些架空的管线要加上一些防振管卡，以免发生一些低频率的振动。与制造厂设计人员沟通商议后，一级出口返回线去管桥方向上增加一个防振管卡；三级出口管线合并前，每台新氢压缩机三级出口管线的立管上增加一个防振管卡；但是其振动分析返回结果还是要求这些管线全都采用防振管卡形式。

根据厂家的振动分析结果，厂家要求在一些管线支架处增加止推。现有的往复式压缩机的管道支架多采用防振管卡。严格意义上讲，这些管卡多为有防振作用导向管卡，只有个别防振管卡为用于固定的管卡。可见要重视在防振管卡上增加止推管卡的设计。

3 小结

(1)往复式压缩机的管道设计应满足针对压缩机的管道设计与防振规范。在实际设计过程中，各个设计院自己编制的标准规范，也可作为设计的规范依据。

(2)在设计前期，若对管线和支架进行合理的规划与设计，并综合考虑土建专业的结与地管专业的设计对所规划的管线的影响，利于减少后续的振动分析以及与土建地管等委托的前后沟通的改动量，提高设计的效率和质量。

(3)从制造厂振动分析的结果来看，主要管线(不包括管线的仪表件，管径较小的放空线等)与其支架位置为设计中的重点，因而宜结合具体的装置布置情况，重点对主要管线进行优化设计，并及时与制造厂振动分析人员进行沟通。一些在立管上布置的防振支架，高度可以与制造厂进行沟通，尽量降到二层平台以下；一些防振支架，在厂家振动分析计算后可以取消的应及时取消，减少管墩用量。

(4)在设计过程中，对一些小直径管线的刚度与防振问题要加以重视，对一些管线可能增加止推管卡的情况要加以考虑。