天然氣壓縮機組管系的支吊架優化分析

馮志陽(中國船級社質量認證公司，新疆 烏魯木齊 830011)

1 概述

某壓氣站壓縮機進出口管道與匯管三通連接處出現五處裂紋，其中一處裂紋發生預留壓縮機進口管道切斷閥前袖管直焊縫處。在實際現場勘察中發現，該壓縮機進出口管道防振管卡的固定螺栓脫離基礎頂面，對管道約束功能下降，壓縮機管嘴荷載將大幅增大，機組振幅與振動烈度將增大，影響機組的正常使用壽命。切斷閥所支撐的混凝土基礎西南角缺損，同時閥體支架向西滑動約200 mm，原應力計算模型的計算位移與實際存在較大偏差。

2 應力分析

2.1 計算工況和參數

按照 ASME B31.3的要求，從如下三個方面對管道設計進行校核：

(1)持續載荷工況(SUS)。該工況考慮重力和壓力影響下管道產生的應力是否滿足要求，按照B31.3中一次應力的基準校核。

(2)熱膨脹工況(EXP)。該工況考慮溫度對管道的熱膨脹影響所產生的應力是否滿足要求，按照B31.3中二次應力的基準校核。

(3)操作工況(OPE)。該工況主要考慮壓縮機進出管口載荷是否超出標準要求，按照API-617中離心壓縮機管口載荷的校核方法，根據壓縮機廠家進出口管道管嘴荷載要求進行校核。

2.2 計算模型

按照竣工圖，并結合壓縮機配管應力分析工程實際經驗建立CAESARⅡ模型，如圖1所示。

圖1 壓縮機進口管系三維模型細節圖

2.3 計算和分析結論

2.3.1 計算過程

ASME B31.3中一次應力校核準則為：由重力和其他持續荷載在管道中產生的縱向應力之和SL不得超過熱應力狀態Sh，即：

ASME B31.3中的二次應力校核標準為：由熱膨脹及端點位移等因素引起的位移應力范圍SE不的超過許用值SA，即：

式中：Sc為冷態許用應力；f為在預計壽命內，考慮總循環次數影響的許用應力范圍減小系數。

當Sh大于SL，他們之間的差值可以加到上式中的Sh上，許用應里范圍SA成為：

在ASME B31.3中，二次應力范圍SE是忽略軸向應力作用情況下的最大剪應力理論的當量應力，即：

式中：Sb為管道在熱膨脹、冷縮及端點位移等作用下合成彎矩引起的應力；St為管道在熱膨脹、冷縮及端點位移等作用下的扭矩引起的應力。

ASME B31.3要求在計算第二次應力范圍SE時考慮管道在幾何不連續處產生的應力集中，其方法是乘上一個應力增大系數，而不是進行局部的詳細分析。

上式就是ASME B31.3管道的二次應力校核條件式。

同時根據API 617 附錄F的規定，需從以下方面對壓縮機管口的載荷進行校核，并需同時滿足：(1)壓縮機中心點的獨立載荷分量必須符合規范要求；(2)吸氣口和排氣口的合成力和合成力矩須單獨校核并符合要求；(3)吸氣口和排氣口基于壓縮機中心點的綜合力和彎矩必須符合要求。

2.3.2 分析結論

(1)現有管道設計在SUS工況和EXP工況下的應力均符合標準要求；(2)現有管道設計在OPE工況下的管口載荷過大，嚴重超出標準要求；(3)依據壓縮機管口校核計算結果分析，壓縮機進出口管線沒有軸向限位約束，導致壓縮機管口載荷過大，需優化壓縮機管口附近支架，降低管口載荷；(4)從靜力分析支架荷載來看，壓縮機的進口管道的電動球閥下的支架均脫空，而實際現場均未脫空，而與其相連的匯管三通次應力均在標準范圍內，可推斷匯管三通母管發生過沉降，而實際電動球閥仍有效支撐，匯管三通一次應力減小。

3 壓縮機關系支吊架優化分析

通過對現有管線系統分析發現，目前管口載荷過大的主要原因是壓縮機進出口管道柔性不夠，無法吸收管道因熱膨脹產生的應力[1]，因此主要通過改變進出口管線的約束條件、增加彈簧支撐等增加管道柔性的方式來進行優化，優化的原則為盡量采用最少的彈簧數目達到最佳的優化效果，分析中采用最不利工況參數進行計算。

3.1 彈簧支撐選型

從成本控制的角度考慮，優先使用可變彈簧，當單一可變彈簧無法滿足要求時根可變彈簧，當兩根可變彈簧無法滿足時采用恒力彈簧；壓縮機進出管口支撐如采用可變彈簧，彈簧的載荷變化率不應大于10%?；跇藴蔔B/T 47039—2013《可變彈簧吊架》進行選型，考慮到管溝內管線底部空間有此管溝內彈簧采用C型彈簧。

3.2 安裝初始偏移量分析

綜合考慮SY/T 411—2007《天然氣壓縮機(組)安裝工程施工技術規范》、ASME B31.3及API686的相關要求，選定安裝初始偏移量為：法蘭同心度(錯邊量)3 m，法蘭端面張口偏差(平行度)最大3 m。通過壓縮機剛性件模擬模型算得進出管口操作工況下的偏移量為：吸氣口：X=0.24 m，其余為0，排氣口：x=0.964 m，其余為0。

去掉壓縮機剛性件，在管口加入上述偏移量作為D，將安裝初始偏移量作為D。

彈簧支撐為柔性支撐，為保證系統安裝的穩定性，在實際操作中如安裝偏差在標準要求內(3 mm以內)，可參照對應的安裝載荷調整簧刻度將偏差盡量消除，以實現無應力安裝，然后根據實際彈簧的安裝載荷重新校核管道。根據計算結果初始安裝偏差較大(均大于3 mm)，會影響管口對中，為保證系統運行的穩定性，避免管道振動，進出口管道采用固定支撐，通過限位支架的方式來防止增壓機管道失穩現象發生[2]。

4 結論

(1)通過計算分析，建議采用在出口彎管處增加止推支架的方最終改造方案。所增加止推支架的材質、規格等參數可經過進一步分析確定。根據工程經驗，建議止推支架前后端均安裝螺母。

(2)建議實際操作中，安裝偏差首先應控制在標準要求的3 mm范圍內，且可參照彈簧對應的載荷調整彈簧刻度將偏差盡量消除；如3 m偏差難以滿足，為保證管路運行的穩定性，偏差不應超過6.5 mm在此范圍內可參照彈簧對應的安裝載荷適當調整彈簧刻度將偏差盡??；不允許安裝偏差等于或超過10 mm，如出現該情況，建議考慮重新進行管路無應力安其他手段降低安裝偏差。

(3)彈簧支架的最大允許變形量建議按如下要求執行：壓縮機進口管溝內支架最大的允許變形量為17.23 mm，壓縮機進口處彈簧支架最大的允許變形6.18 mm，壓縮機出口處彈簧支架最大的允許變形量為5.97 mm，壓縮機出口管溝內彈簧支架最大的允許變形量為17.95 mm。

(4)為確保管路系統運行的安全，日常彈簧檢查時應確認彈簧載荷在如下范圍以：內機進口管溝內彈簧為45.833～71.140 kN，壓縮機進口處彈簧為46.690～56.499 kN，壓縮機出口處彈簧為34.479～41.720 kN，壓縮機出口管溝內彈簧為47.726～74.571 kN。

(5)項目運行4 000 h后脫開管卡進行復檢確定管口及各支撐處的變形量，根據最新的運行狀態對管路應力、管口載荷、彈簧以及支掉/止推結構進行評價。

(6)埋地管道不可避免出現不均勻沉降問題，尤其是重量非常大的閥組和大口徑長管道，主管的沉降量明顯大于分支管，建議分支管的支架與主管的支架共用一個基礎，具有相同的沉降量，這將有效避免出現不均勻沉降，減輕因不均勻沉降產生應力集中問題。主管與分支管不在同一基礎時，當主管沉降后及時通過調松分支管的可調螺母解決分支管與主管間的應力集中問題。