往復式壓縮機容器測點接管焊口開裂原因的探討與解決

劉磊 隋國亮

摘 要：本文通過對往復式壓縮機容器測點接管焊口開裂的原因分析，結合相關標準和實踐，提出往復式壓縮機在設計及現場安裝施工方面需要注意的問題以及防范措施。

關鍵詞：高頻振動;壓縮機;緩沖罐;楔形支座;焊口開裂

中圖分類號：TH45 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0048-03

隨著世界經濟發展對能源的需求和依賴程度也越來越高，石油供給日趨緊張。為了提升國內原油的加工能力和開發研制石油替代品，我國新建和擴建一批煉油廠和大型煤化工企業，而往復式壓縮機則是煉油行業的關鍵設備之一。往復壓縮機在使用過程中出現的一些新問題則需要引起足夠的重視。

1 案例情況說明

某煉油廠新區火炬氣、加氫干氣及低分氣回收利用項目，2D32-60.4/3-28型干氣壓縮機。運行參數見表1。介質組分見表2。

干氣壓縮機B機在運行過程中突然出現氫氣報警監測儀報警的情況，濃度逐步上升，監測濃度達到17.6%時，值班人員立即執行了緊急停車的操作。同時告知調度和車間其他裝置，及時調整操作，保證平穩生產。停機后，開窗戶并加強通風，使監測濃度恢復至正常值0%。機組停機卸壓后壓縮機充氮氣進行漏點查找，發現二級出口緩沖罐壓力表引壓管短接法蘭焊縫開裂。見圖1，圖2。

二級排氣緩沖罐壓力儀表引壓管焊縫開裂，氫氣泄漏，險些造成安全事故。初步懷疑是施工過程中焊接問題導致。經過緊急搶修重新投入生產。

三天后，干氣壓縮機B機相同位置再次出現泄漏。針對緩沖罐儀表引壓管二次斷裂的情況，使用方、設計院相關專業技術人員在停機后立即對斷裂部位焊口及接管進行了滲透檢測，經過對控制室運行數據和曲線調查及分析，認為壓縮機二級出口緩沖罐存在低幅高頻振動，引起罐體上附屬管線出現疲勞破壞。

2 原因分析和探討

引起容器附屬設備焊接管線焊口斷裂的可能因素有多種，下面就可能因素進行分析和探討。

2.1 管線方面原因分析

現場儀表管線采用的尺寸是φ14mm，不是常規使用的φ10mm或者φ12mm。儀表管線的剛性比較強，同時在實際布線上，缺乏有效的撓性的設置，容易造成應力集中無法緩解和消除。

對于儀表管線尺寸的選擇，雖然采用的是φ14的儀表管，但不是造成管線開裂的直接原因。φ14的儀表管承壓能力更好，因此只要管線設置合理，焊接符合要求，完全可以緩解和消除應力集中，避免引壓管線焊縫開裂。

現場測壓點根部閥和容器之間采用的是無縫鋼管短節連接，承插焊根部閥和儀表管線直接連接的形式。儀表根部閥的連接設計[2]，符合國家標準HG/T21581《自控安裝圖冊》的規定。

2.2 振動方面原因分析

管道設計振動準則。管道振動振幅（峰-峰值）的許用值和危險值參照API618《石油、化學和氣體工業設施用往復壓縮機》標準五版第7.9.4.2.5.2.4條款中的指導值。

如圖3所示：（1）對頻率低于10Hz（頻率10Hz也是根據ISO 10816），固定的許用振幅為0.5mm峰-峰值（20mils峰-峰值）;（2）頻率在10至200Hz之間，固定的許用振動速度約為32mm/s峰-峰值（1.25in./s峰-峰值）。

從使用方現場的測量，管路上各測試點的振動數值均遠小于API618中的指導值[4]。故消除工藝管線及設備的振動并不能保證完全消除設備其他位置的高頻振動。

2.3 壓力容器設計方面原因分析

現場壓縮機排氣緩沖罐支撐采用楔形支座結構。采用此種支座的目的主要是為了避免排氣緩沖罐受熱膨脹產生的熱應力對機組運行或容器的使用壽命造成影響。具體如下：

楔形支座主要由楔形座，拉桿，膠墊及底板等組成，見圖4。

壓縮機工作時，排氣溫度較高，而考慮到具有較好的緩沖效果，排氣緩沖罐一般設置在氣缸的正下方，故在壓縮機運行時排氣緩沖罐會受熱膨脹，產生較大的熱應力，如不設法消除可能導致氣缸被頂起或容器損壞的事故，筒體直徑越大越容易出現問題。

以本臺壓縮機為例，一級排氣溫度為90℃，Q345R材料的線膨脹系數為11.6*10-6（1/℃），緩沖罐的筒體直徑為1000mm，冬季環境溫度按0℃考慮，根據公式“膨脹量=筒徑x線膨脹系數x溫差”，經計算可知緩沖罐筒體在溫度升高后將膨脹約1.05mm。如果采用普通JB/T4712標準的鞍式支座[3]，如此大的膨脹力將直接作用在氣缸體上，將導致氣缸體被向上頂起，同時緩沖罐筒體也會受到較大的應力，對壓縮機的安全運行帶來較大的安全隱患。

若采用楔形支座，筒體膨脹后首先會被膠墊吸收一部分膨脹量，另外膨脹力會對楔形座產生一個水平分力，此分力作用在拉桿上使拉桿伸長又會起到一定的補償作用，解決了普通鞍式支座無法補償膨脹量的問題。

由于筒徑較大的緩沖罐長度也較長（長徑比不超過4.0），故排氣緩沖罐一般設置兩個支座，見圖5。

如果僅設置一個支座，無論是放在進氣口正下方或是出氣口位置均導致緩沖罐另一端成為無支撐的懸臂梁結構，壓縮機工作以后，在氣流的作用下將導致無支撐端發生振動。此種情況在其他設備也曾出現過，由于進氣口下方支座螺栓未緊固，導致緩沖罐振動過大，后期將螺栓重新緊固即消除振動。

由于楔形支座與基礎并無地腳連接，為了防止緩沖罐出氣口端向上或橫向振動，在出氣口側的楔形支座外面又增加了一個固定支座帶，與基礎通過地腳螺栓連接，起到完全固定緩沖罐的作用。

綜上，緩沖罐采用楔形支座能夠有效解決緩沖罐熱膨脹對機組運行造成影響的問題。同時能夠降低管道振動對容器造成的影響。

2.4 施工方面原因分析

緩沖罐上儀表引壓管焊縫出現開裂，不排除儀表管與閥門焊接施工時存在殘余應力過大的情況，在振動載荷作用下加劇損壞，短時間即發生斷裂。

3 防范解決措施

（1）管線的布置方面，可以通過增加儀表管線和根部閥之間的直管，同時盡量多設置些過渡和緩沖布線的方法來緩解和消除應力集中。（2）儀表根部閥方面，可以取消緩沖罐現有引壓管法蘭和閥門之間的短節，直接將引壓管一次閥門（整體法蘭閥）安裝在設備自帶法蘭上，閥門縮小尺寸、降低重量、減少焊口。閥門上方采用不銹鋼法蘭蓋開孔焊接引壓管的方式連接。閥門形式如圖6。（3）為了降低緩沖罐處的振動，在排氣緩沖罐的進氣口法蘭處加裝孔板來改變降低緩沖罐的振動頻率。將原有法蘭之間的墊片替換為孔板式墊片。（4）在保證進氣介質不含液的條件下，降低引起振動的可能，盡量減少容器上的附屬設備，拆除緩沖罐上液位計和附屬排液、放空閥門。

通過上述的改造措施，現場確實達到了避免緩沖罐與引壓閥組共振，使引壓管線的振動頻率及振幅減小。避免引壓閥和引壓管焊接部位再次斷裂現象的發生。保證了機組的安全運行。

4 結語

高頻振動的產生原因，是由于容器上儀表分支管線及其閥門的固有頻率比較高，容易產生高頻振動，這樣與其相連的緩沖罐雖然產生的只是正常振動，卻會帶著儀表分支管線及其閥門產生高頻振動。而且管道的固有頻率跟現場的施工情況有著很大的關系。這樣的儀表分支管線及其閥門的高頻振動是很難去計算和預見的。雖然這種高頻振動不是常常出現，一旦出現造成的后果會很嚴重，同時也很難解決。

綜上所述，為了保證壓縮機運行的穩定性和安全性，在壓縮機設計制造，現場安裝施工的過程中，要充分充分考慮振動對機組的影響，為預防高頻振動導致的管線開裂，制定合理的措施，以保證壓縮機的使用性能及使用壽命。

參考文獻

[1] 郁永章，姜培正，孫嗣瑩.壓縮機工程手冊[M].中國石化出版社，2011.

[2] HG/T21581-2010，自控安裝圖冊[S].

[3] JB/T4712.1-2007，容器支座第一部分：鞍式支座[S].

[4] API 618：2007，石油、化學和氣體工業設施用往復壓縮機[S].