管道應力對離心式壓縮機軸振動的影響

陳寶冬，邵笑音

（1. 天津市石建工程建設監理有限責任公司，天津 300270； 2. 天津天海石化設備制造有限公司，天津 300356）

管道應力對離心式壓縮機軸振動的影響

陳寶冬1，邵笑音2

（1. 天津市石建工程建設監理有限責任公司，天津 300270； 2. 天津天海石化設備制造有限公司，天津 300356）

武漢石化 80 萬 t/a 乙烯項目線性低密度聚乙烯裝置，離心式循環氣壓縮機首次單機試運行，試運行期間出現軸承振動過大的現象。在其后的現場檢查和技術分析確定為壓縮機入口管線存在應力，經過對管線進行改造后，消除了軸振動異常的問題，設備運行平穩。

循環氣壓縮機；軸振動；管道消應力；找正

循環氣壓縮機是線性低密度聚乙烯裝置的核心設備，類型為離心式壓縮機(圖 3)。型號 DH9M，標準流量 414 612 m3/h,輸出功率 4 900 kW，介質為烴混合物。

一般來說，管系為三維空間走向，且受力及位移受外界影響較大，但管系承受的主要載荷可分為以下四類：

（1）壓力載荷：可能在幾種不同壓力、溫度組合條件下運行的管道。

（2）持續外載：包括管道基本載荷（管子及其附件的重量、管內介質重量、管外保溫的重量等）、支吊架的反力、以及其他集中和均布的持續外載。

（3）熱脹和端點位移：管道由安裝狀態過渡到運行狀態，由于管內介質的溫度變化，管道產生熱脹冷縮使之變形；與設備相連接的管道，由于設備的溫度變化而出現端點位移，也使管道變形。

（4）偶然性載荷：包括風雪載荷、地震載荷、流體沖擊以及安全閥動作而產生的沖擊載荷。這些載荷都是偶發性的臨時載荷，且與本次所涉及的問題無關，在這里不予考慮。

1 故障經過及現象

循環氣壓縮機經過前期的單機試運行后進入單機帶負荷運行階段，試運在 2009 年 11 月 5 日上午10：18 開始，環境溫度 5 ℃，設備啟動平穩，無明顯噪音及振動，壓縮機入口壓力 0.5 MPa，介質溫度 35 ℃。升溫 2 h 左右，達到 88 ℃的操作工況。整個試運行于 14：10 結束。試運行全程現場狀況平穩正常，但通過 DCS的觀察發現壓縮機的推力軸承振動探頭 VZE41003A 的平均振動值 36.6 μm 明顯偏大且大于技術協議 25 μm 的設計值（圖 1）。

圖 1 軸振動曲線Fig.1 Shaft vibration curve

2 原因分析

通過對運行數據的分析以及之前幾次試運轉的數據對比，本次運轉與以往的最大不同在于本次試運是在升溫的情況下進行的，現場環境為冬季，管線的熱脹冷縮變形較明顯且運行壓力為 0.5 MPa，屬于低負荷運行，所以溫升的影響因素較大。懷疑是由于設備及管線的溫度升高，產生膨脹導致對中不準。

從圖1中可以看出，曲線1在啟動之初的振動值就大于其他各點，但隨著時間的推移，曲線逐漸走高。而這段時間正是管線系統溫度的時間段。說明管線與壓縮機之間存在一定的應力，而管線的升溫變形使應力進一步加大，繼而導致壓縮機的振動值偏高。在進行了初步的技術分析后于11月7日對循環氣壓縮機的出入口管線螺栓進行了放松以使管線達到無應力狀態，并對壓縮機進行了再次的找正，發現壓縮機比試運前偏移，成上開口，（如圖 2） 。結果表明在熱態運行下管路存在應力，且施力方向向上，這就需要對壓縮機的入口管線做出一定的調整。

圖 2 偏移后趨勢Fig.2 After migration trend

3 管道消應力

根據分析結果，在壓縮機不啟動的情況下對管線系統進行了升溫，以模仿上次運行工況，對現場的檢查發現，升溫后管線膨脹明顯，總體呈上升狀態，管線的膨脹節 c（見圖 3）呈伸展趨勢，說明管線在軸向上拉伸較大，因為膨脹節南側管線較長，且其中支撐點較多，在管線受熱時并未按照原先設計時所設想的向壓縮機一側膨脹，而是相反方向對管線進行了拉伸,膨脹節由原有的柔性狀態轉變為剛性狀態，使其失去了吸收應力的作用，從而降低了整個管線的撓度。支撐膨脹節和壓縮機入口的彈簧支架 a、b（見圖 3）的剛度較大，在管線膨脹的過程中并沒有吸收管線因熱脹所產生的形變而是成為了一個剛性的支撐，當管線受熱后會整體膨脹，但因為下方的彈簧支架a、b的彈性變形不足，管線向下的膨脹力無法得到吸收，繼而向上運動，又因膨脹節失效，所以管線整體上移，導致壓縮機程上揚趨勢，繼而影響到壓縮機的軸振動升高。通過對現場情況的分析，準備對壓縮機的入口管線做出改造。首先通過千斤頂將管線向壓縮機方向軸向移動（即管線軸向北移），在管線上方增加一個垂直吊桿d（見圖 3），以分擔管線重力，使膨脹節達到自由狀態。同時調整彈簧支架 a、b使其在冷態的狀態下能夠和壓縮機的入口形成無應力。

在整個對接的過程中需用千分表對管線法蘭和壓縮機的入口法蘭的平行度和垂直度進行監測，以確保整個對接在徑向和軸向是無應力的，同時在壓縮機本體的軸向、徑向及東西水平方向上都打千分表，以觀察管線在上緊螺栓的過程中是否對壓縮機存在應力影響。（徑向和軸向的千分表基座安裝在壓縮機的主電機上，以防止在安裝過程中壓縮機和主電機的對中出現偏差）在安裝完成后對循環氣壓縮機進行了再次運轉，工況和第一次試運相同。

圖 3 壓縮機改造示意圖Fig.3 Schematic diagram of compressor transformation

4 二次試運行

在對管線進行了設計改造和應力消除后，于2009 年 11 月 9 日對循環氣壓縮機進行了二次試運。并對上次運行中所出現問題的 VZE41003A 軸振動異常點作為本次運行的重點監測。運行結果如（圖 4）。

圖 4 軸振動曲線Fig.4 Shaft vibration curve

由圖我們可以對比出：首次試運時軸振動（圖1）在經過管線消應力改造后，已經由原來的 36.6 μ m 降到了現在的 17.3 μm（圖 4）并且通過前后兩次運行的數據對比，我們可以發現 41001A/B 兩點的振動值較管線改造之前的 10.4、7.1 μm 變為現在的 8.8、8.2 μm。這兩個振動探頭是在軸兩側對稱安裝的，說明管線在經過消應力改造后，壓縮機主軸是在一個平穩的狀態下運行，沒有發生偏移的現象。

5 結束語

通過對線性低密度聚乙烯裝置循環氣壓縮機管線應力問題的分析過程和解決方式，我們可以得出：

（1）管線應力的存在對設備的穩定運行會造成影響。

（2）存在溫升情況的設備在冬季首次運行時要考慮熱膨脹對管線形變及設備對中的影響。

（3）可以通過合理的改造使膨脹節和彈簧支架在管道應力的吸收上發揮更大的作用。

（4）本次問題的分析方式和解決方法可以在類似問題發生時作為參考，同樣適用于一些大型設備和機泵的振動診斷及解決。

［1］ 張德姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[M].北京：中國石化出版社,2005-07-01.

［2］王書敏 ，何可禹. 石油化工設備技術問答叢書, 離心式壓縮機技術問答[M].第二版.北京：中國石化出版社, 2006-05．

［3］唐永進.壓力管道應力分析[M]. 北京：中國石化出版社,2003-12-01．

［4］宋岢苛.工業管道應力分析與工程應 [M]. 北京：中國石化出版社2006-05-01.

［5］董其伍,等.過程設備設計[M]. 北京：中國石化出版社, 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文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1247-02

2013-11-21

陳寶冬（1983-），男，安徽安慶人，助理工程師，2007 年畢業于遼寧石油化工大學校過程裝備專業，研究工程安裝及監理：從事工程安裝及監理工作。E-mail：chbd_8310@163.com。