简述高压聚乙烯装置压缩机管道支架设计

2022-05-28＊柳杰

当代化工研究 2022年9期

＊柳杰

（中石化上海工程有限公司上海 200120）

高压聚乙烯装置的产品为低密度聚乙烯（LDPE），其具有较小的密度，良好的柔韧性，优良的耐低温性和化学稳定性，产品主要适用于涂覆、注塑、挤塑、吹塑、热成型等热塑性成型加工领域。顾名思义，装置的一大特点为反应压力高（100MPa～300MPa），为此装置中配置了两台往复式压缩机（一次机和二次机）来给反应物料增压，压缩机一旦出现状况将影响到整个装置的正常运行。在配管设计中，又由于往复式压缩机管道会有振动的特性，因此就整个装置而言，两台压缩机及其管道设计是核心和关键部分。本文阐述在高压聚乙烯装置中因压缩机布置的不同而引起的管道设计的一系列不同，并探讨一些设计思路和解决方案。

1.压缩机布置

(1)压缩机机组的分散布置

通常往复式压缩机组包括压缩机本身、辅助油系统、中间冷却器和中间分离罐。为了减少管道内的压力降，为了减少管道振动，为了让辅助油撬块中的泵扬程降低等，压缩机本体与其他设备之间的距离不应太大，如图1中就是一个典型的往复式压缩机布置，所以级间的换热器、分离器等都靠近压缩机本体布置，辅助油系统也是如此。可在高压聚乙烯装置中，无论是一次机和二次机其级间设备还是辅助油系统，都布置在压缩机厂房以外，甚至和压缩机厂房中间还隔了一条管廊。

压缩机这样布置的原因主要有两个：首先是考虑到安全因素，因为这两台压缩机的压力很高，尤其是二次机，能达到300MPa，而压缩机厂房又是一个比较密闭的空间，一旦泄露，压力不易泄放，若其他设备布置在厂房内，对这些设备本身是一个危险。更重要的是由于设备的集中布置，会间接导致那里的人员出现概率增大，从一定程度上也增加了人身伤害的可能。其次，由于二次机本身的级间换热器为管程式换热器，其体积十分庞大，要放入压缩机厂房内，本身也不太现实。

图1 典型往复式压缩机布置

(2)分散布置带来的影响

从配管的角度看，由于压缩机本体与其他设备的布置分散，最大的影响便是设备之间管道的距离加长。压缩机和级间设备之间管道增长，给级间管道增加了很多应力方面的变数，柔性增加刚度的减小，管系向着不利于减振的方向发展，并且对于特定管道，管道的增长，其热应力也增加，需要进行合理管道布置和设置支架来消除热应力。

2.压缩机管道设计

对于往复式压缩机的管道设计，其核心内容就是减小级间管道的振动频率和幅度，避免共振的产生，而这些都与压缩机脉动分析密不可分。管道的走向布置其实是与管道支架布置息息相关，所以振动管道的核心设计就是合理设置管道减振支架。对于高压聚乙烯装置中的这两台压缩机的管道设计也是如此，只是高压装置的一些特点，导致管道的设计会有所不同。

(1)脉动分析的范围

通常对于一般压缩机脉动分析的范围，从第一级入口缓冲罐算起一直到最后一级出口缓冲罐为止，但对于高压聚乙烯装置来说，情况却不相同。压缩机制造商对被视为脉动分析起始点的缓冲罐体积有要求，而装置中一次机进出口缓冲罐的体积太小，不能充分缓冲管道中的脉动气流，因此为了满足制造商对于气体体积要求，只能扩大范围，把入口缓冲罐的上游管道和出口缓冲罐的下游管道一同计算入内，才能满足要求。

对于二次机来说，其根本就不存在缓冲罐，其上游需计算到一次机出口，下游需计算到反应器，这无疑增加了振动管道的范围，许多原本无需脉动分析的管道也需进行计算，导致振动管道遍布框架和管廊，为管道减振支架的设置带来了困难。

(2)减振支架的设置

对于往复式压缩机管道支架的设置，在所有的指导书或者规范中强调的无非两点：①宜布置在自地下生根的管墩上[1]；②管道支架与压缩机基础和建构筑物脱开[2]。这对于一般压缩机而言，比较容易做到，但对于高压聚乙烯装置，由于上文所述的机组分散布置，分析范围较大等原因，以上两点均不能做到。对此，从脉动分析本身出发，通过分析其本质要求或目的，来使管道支架的设置合理化，而不是教条的解读规范或指导书上的条条框框，这才是一个比较科学的方法。

①支架刚度需求

沿地面敷设目的是管道支架能够生根于地面，从而增加管道支架的刚度。根据API 618第5版中的P3.2.1中，管路的有效轴向刚度通常通过支撑的轴向刚度来确定，其计算公式为：

式中：Cks为支撑刚度单位决定的常数（SI单位：1/130；USC单位：25）；A为管子横截面金属面积，单位为mm2；I为管子横截面面积的惯量矩，单位mm4；OD为管子外径，单位mm；ID为管子内径，单位mm；fn,T为最小横向固有频率，单位Hz；n为有效支撑数[3]。

在普通压缩机管道设计时，由于压缩机的最小横向固有频率较低，其对支架刚度的要求较低，一般生根于地面的支架均能满足脉动分析的要求。但对于本套装置的两台压缩机，其固有频率较高，其对支架刚度的要求也就比较高，所以在设计支架时都要考虑其刚度。因此，在设计支架之前，可以让压缩机制造商给出按其最小横向固有频率算出的支架刚度要求（表1），以便我们的设计有据可行。

表1 支架最小刚度要求

根据工程经验，一般生根于地面和生根于地面但高度有限的支架经过加固等措施均能满足要求。对于后者，为了满足支架刚度的需求，一般会采取以下措施：A.众所周知，混凝土的刚度比钢结构要好，因此在考虑结构设计合理性的情况下，混凝土的基础应适当抬高，减少钢结构的长度从而增加刚度。B.针对钢结构做补强措施，如增加斜撑、筋板，甚至钢结构用方刚或者圆钢，在里面灌注混凝土的方式来增强刚度（图2）。

图2 高压管道支架设计

但布置在管廊和框架上管道，由于管廊和框架的自身结构刚度有限，要达到API标准的要求有些不切实际。极端情况下，管廊和框架的钢梁由于环境温度的变化，其自身热胀冷缩导致的位移就不止1mm，要达到API的刚度要求几乎不可能。在这个情况下，唯一的办法就是把管道支架结构一起模拟进入计算模型，作为一个整体考虑，对具体支架进行具体分析，模型直接给出结构的修改意见，这样往往切合实际，也容易实现（图3）。

图3 模型计算得出框架修改意见

上述两种刚度要求方式各有利弊，前者对于输入条件要求较低，不需要详细的管道支架结构图纸，仅需知道支架形式，且在计算模型中输入也比较容易；而后者对输入条件要求很高，不但要求一次支架、二次支架的图纸，更要求生根管廊和结构的图纸，且计算完成后，所有输入条件都不能修改，这对于设计来说是个不小的挑战，并且计算模型输入周期长。对于如何选择这两种方式，应该分开要求，不能单选一种，对于敷设在地面，能满足刚度要求的应采取第一种；对于无法实现的且生根结构比较复杂的应考虑第二种方式。

②管道支架基础独立

振动管道支架不宜与压缩机基础连接。振动管道支架与压缩机本体共用基础，则两者通过基础相互影响，导致相互的固有频率改变，脉动分析的准确性受到影响，且有可能发生两者之间的共振。

图4 二次机进出口支架布置

对于高压聚乙烯装置中，特别是二次机，由于其振动频率和振幅较大，需要密集地设置减振支架，其压缩机进出口管道的第一和第二各支架分别设置在压缩机平台和基础上，看似非常不符合常规（图4），但仔细分析，发现这样设计也是有所根据的，首先关于压缩机和管道固有频率的相互影响，由于二次机的固有频率十分高，与管道的固有频率相差巨大，因此再如何相互影响，也不可能发生共振。其次，管道支架共用一个基础，可以通过将支架输入计算模型的方式，既能计算管道与管道支架是否存在共振的可能，也包装了脉动分析的准确性。因此，如此设计虽然不符合常规但也绝对安全可靠。

(2)减振支架的结构

对于振动管道的设计，最难的一点就是如何兼顾管道的静态热应力和动态脉动力。因为两者是相互矛盾的，前者希望管道柔性越好，静应力越小；后者要求管道的刚度越好，管系的固有频率越低，则越远离激发频率共振区域，管道振幅的也会减小。

高压聚乙烯装置也存在该问题，但通过减振支架的结构，攻克了这一难关。其核心是通过管道一次支架（减振支架）与管道之间的摩擦力来抵消动态力，通过一次支架和二次支架之间连接结构的来抵消静应力。

减振支架通常分两种，管卡式和碟簧式，但不论哪种，原理都是通过预紧螺栓或者弹簧产生的预紧力，预紧力通过管夹给管道施压，从而产生管道与管夹之间的摩擦力。换而言之，根据管道动态力的大小，通过调节预紧螺栓或者弹簧来控制摩擦力的大小，使其能抵消动态力。

而且由于通常动态力很小（几百公斤），而管道的静应力相对较大（几吨），因此减振支架的摩擦力无法限制管道的热位移，所以在原本应力分析完毕的管道上增加减振支架，不会对应力分析有影响。但有一个例外，就是当管道本来有向上的位移时，由于本来减振支架给与管道向下的压力，当遇到来自管道向上的位移，导致管道与下管夹的摩擦力下降，这样减振支架的效果会打折扣，无法消除动态力。

至于静应力，则通过一次支架和二次支架之间连接结构设计来实现。如开长圆空、径向或轴向增加挡块等。

由此可见，由于增加减振支架基本不会影响静应力的分析，因此在管道布置时，应该先考虑如何通过静应力分析，根据静应力计算结果设置支架，避免垂直向上热位移的支架点出现，而不用考虑减振支架给应力带来的影响，只需考虑支架之间设置在减振支架的空间，最后按脉动分析的结果增加减振支架。