離心壓縮機(jī)管道改造設(shè)計(jì)研究

王先年，齊麗媛，張金磊，丁浩，陳繼成，董政，姚先玲，蘇盛

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

·工程與設(shè)計(jì)·

離心壓縮機(jī)管道改造設(shè)計(jì)研究

王先年，齊麗媛，張金磊，丁浩，陳繼成，董政，姚先玲，蘇盛

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

依托天津渤海化工廠壓縮機(jī)出口管道改造工程，使用CAESAR II軟件對(duì)壓縮機(jī)出口管道進(jìn)行受力分析。判斷出導(dǎo)致壓縮機(jī)出口受力過(guò)大的原因，通過(guò)調(diào)整管道支吊架的形式與位置，改善了設(shè)備管口的受力，保證了離心壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

離心壓縮機(jī)；CAESAR II；應(yīng)力分析

離心壓縮機(jī)屬于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器，因此在通過(guò)管道輸送物料時(shí)由于受介質(zhì)的溫度和壓力等因素的影響，管道會(huì)產(chǎn)生動(dòng)、靜荷載的附加作用力，在管道設(shè)計(jì)改造中，如果管道的約束點(diǎn)及約束形式設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)造成管道的局部作用荷載不均衡、管系震動(dòng)嚴(yán)重及管端扭矩過(guò)大，由此導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸的不對(duì)稱、轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙改變，進(jìn)而影響設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至毀壞設(shè)備。因此必須對(duì)管道作出強(qiáng)度及安全性評(píng)價(jià)，主要變形分析和管道支吊架設(shè)計(jì)等，以達(dá)到限制作用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的荷載［1］。

本文結(jié)合工程實(shí)例，選用CAESAR II管道應(yīng)力計(jì)算軟件來(lái)分析判斷，壓縮機(jī)出口受力過(guò)大的原因并提出改造措施。

1 工程簡(jiǎn)介

煤氣化壓縮機(jī)在停工檢修時(shí)，更換了離心壓縮機(jī)出口管道上膨脹節(jié)。在安裝完畢，經(jīng)過(guò)試壓檢驗(yàn)后，壓縮機(jī)開(kāi)始投入使用，管道升溫過(guò)程中，出現(xiàn)壓縮機(jī)軸震動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致跳車現(xiàn)象。壓縮機(jī)出口管道布置見(jiàn)圖1。

圖1 壓縮機(jī)出口管道布置簡(jiǎn)圖

圖2 改造后的壓縮機(jī)出口管道布置簡(jiǎn)圖

2 原因分析

更換膨脹節(jié)前，壓縮機(jī)已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行了1年多，且各項(xiàng)指標(biāo)均正常。管道直徑400mm，壁厚16mm，材質(zhì)為20；操作溫度215℃，操作壓力4MPa；管道介質(zhì)為合成氣。通過(guò)對(duì)改造前后的了解以及對(duì)壓縮機(jī)出口管道上各約束點(diǎn)的觀察分析，初步判斷此次跳車是由以下兩方面的因素造成的：①節(jié)點(diǎn)70處的水平限位架，限制住了管道水平方向上的自由移動(dòng)（此管道上的部分支吊架，在運(yùn)行過(guò)程中被生產(chǎn)管理人員改動(dòng)過(guò)）；②所換膨脹節(jié)（復(fù)式大拉桿式）的橫向剛度過(guò)大。

2.1 針對(duì)節(jié)點(diǎn)70處有無(wú)限位架進(jìn)行計(jì)算分析

由于不知所換膨脹節(jié)的實(shí)際橫向剛度有多大，本文按照極限狀態(tài)，即，膨脹節(jié)的橫向剛度無(wú)窮大，使用CAESAR II軟件，針對(duì)節(jié)點(diǎn)70處，有限位架與無(wú)限位架分別作了計(jì)算，結(jié)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，極限狀態(tài)，當(dāng)去掉節(jié)點(diǎn)70處水平方向的限位架后，整個(gè)管系作用在壓縮機(jī)出口上的力與力矩，有了很大的變化:FX減少了61.1%，F(xiàn)Y減少了36.5%，F(xiàn)Z減少了98.6%，MZ減少了90%，MX大小變化不大，方向變了，只有MY變大，且方向變?yōu)榉聪颉?/p>

表1 極限狀態(tài)壓縮機(jī)出口受力表

2.2 針對(duì)膨脹節(jié)橫向剛度變化進(jìn)行計(jì)算分析

根據(jù)壓縮機(jī)出口管道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置情況，即節(jié)點(diǎn)70處有限位架，分別針對(duì)膨脹節(jié)不同的橫向剛度，做了計(jì)算對(duì)比，結(jié)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 改變膨脹節(jié)橫向剛度壓縮機(jī)出口受力變化表

由表2可以看出，膨脹節(jié)的橫向剛度增加，壓縮機(jī)出口的受力也隨著增加。

通過(guò)以上計(jì)算分析，可以看出，壓縮機(jī)出口受力過(guò)大是由于所換膨脹節(jié)的橫向剛度變大，以及節(jié)點(diǎn)70處的限位架導(dǎo)致的。

3 改造措施

由于膨脹節(jié)已經(jīng)安裝，剛度不可改變，若要降低壓縮機(jī)管口受力，只有去掉節(jié)點(diǎn)70處的限位架。去掉后通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，膨脹節(jié)的水平方向位移比去掉前大，因此決定在節(jié)點(diǎn)45處，增加+X與Z方向的限位架；由于管道運(yùn)行時(shí)，立管（節(jié)點(diǎn)50至節(jié)點(diǎn)120之間）是向上運(yùn)行，會(huì)對(duì)膨脹節(jié)產(chǎn)生向下的壓力，依據(jù)API617-《石油、化學(xué)和氣體工業(yè)用軸流、離心壓縮機(jī)及膨脹機(jī)-壓縮機(jī)》，離心壓縮機(jī)管口無(wú)論軸向還是水平方向的須用推力值都非常小，所以決定在節(jié)點(diǎn)45處增加向上5000N的拉力。改造后的管口布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

按照改造后的，壓縮機(jī)出口管線上的約束形式及位置，重新計(jì)算壓縮機(jī)出口的受力，膨脹節(jié)橫向剛度取200N/mm（原設(shè)計(jì)膨脹節(jié)訂貨數(shù)據(jù)表中允許的最大值），結(jié)果見(jiàn)表3。

依據(jù)API617-《石油、化學(xué)和氣體工業(yè)用軸流、離心壓縮機(jī)及膨脹機(jī)-壓縮機(jī)》規(guī)定：

表3 改造后壓縮機(jī)管口受力表

其中De=（DN+400）/3=266.7

將表3中的數(shù)據(jù)帶入上述三個(gè)公式計(jì)算：

Fr+1.09Mr=8087，遠(yuǎn)小于54.1De=14428.5，改造措施可行。

4 結(jié)論

通過(guò)使用CAESAR II對(duì)離心壓縮機(jī)出口管道的極限狀況，進(jìn)行計(jì)算分析，判斷出了壓縮機(jī)管口受力過(guò)大的原因，提出了整改措施，進(jìn)一步計(jì)算，證實(shí)了改造方案的可行性。目前，此壓縮機(jī)的出口管線，按照上述措施改造后，壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行了一個(gè)多月，沒(méi)有出現(xiàn)軸震動(dòng)值高，導(dǎo)致跳車的現(xiàn)象。

［1］毛悠仁，趙曉政，劉江濤.CII軟件在離心壓縮機(jī)配管受力分析的應(yīng)用［J］.化工生產(chǎn)與技術(shù)，2006，13（3）:39-41.

Study on the design of the pipeline modification of centrifugal compressor

Wang Xian-nian，Qi Li-yuan，Zhang Jin-lei，Ding Hao，Chen Ji-cheng，Dong Zheng，Yao Xian-ling，Su Sheng
（Shanghai Pulitzer technology co.，LTD，Shanghai 200233）

With the modify project of compressor outlet pipe at TianJin BoHai chemical plant，the force acting on centrifugal compressor outlet is analyzed by the pipe stress analysis software CAESAR II.The reason of excessive force on compressor outlet is determined.The acting force on the pipe outlet is improved，through adjusting pipe supports and location，to assure normal operation of the device.

centrifugal compressor；CAESAR II；stress analysis

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.05.021

TQ055.8+1

B

1008-1267（2016）05-0056-02

2016-04-15