簡述高壓聚乙烯裝置壓縮機管道支架設計

＊柳 杰

（中石化上海工程有限公司 上海 200120）

高壓聚乙烯裝置的產品為低密度聚乙烯（LDPE），其具有較小的密度，良好的柔韌性，優良的耐低溫性和化學穩定性，產品主要適用于涂覆、注塑、擠塑、吹塑、熱成型等熱塑性成型加工領域。顧名思義，裝置的一大特點為反應壓力高（100MPa～300MPa），為此裝置中配置了兩臺往復式壓縮機（一次機和二次機）來給反應物料增壓，壓縮機一旦出現狀況將影響到整個裝置的正常運行。在配管設計中，又由于往復式壓縮機管道會有振動的特性，因此就整個裝置而言，兩臺壓縮機及其管道設計是核心和關鍵部分。本文闡述在高壓聚乙烯裝置中因壓縮機布置的不同而引起的管道設計的一系列不同，并探討一些設計思路和解決方案。

1.壓縮機布置

(1)壓縮機機組的分散布置

通常往復式壓縮機組包括壓縮機本身、輔助油系統、中間冷卻器和中間分離罐。為了減少管道內的壓力降，為了減少管道振動，為了讓輔助油撬塊中的泵揚程降低等，壓縮機本體與其他設備之間的距離不應太大，如圖1中就是一個典型的往復式壓縮機布置，所以級間的換熱器、分離器等都靠近壓縮機本體布置，輔助油系統也是如此。可在高壓聚乙烯裝置中，無論是一次機和二次機其級間設備還是輔助油系統，都布置在壓縮機廠房以外，甚至和壓縮機廠房中間還隔了一條管廊。

壓縮機這樣布置的原因主要有兩個：首先是考慮到安全因素，因為這兩臺壓縮機的壓力很高，尤其是二次機，能達到300MPa，而壓縮機廠房又是一個比較密閉的空間，一旦泄露，壓力不易泄放，若其他設備布置在廠房內，對這些設備本身是一個危險。更重要的是由于設備的集中布置，會間接導致那里的人員出現概率增大，從一定程度上也增加了人身傷害的可能。其次，由于二次機本身的級間換熱器為管程式換熱器，其體積十分龐大，要放入壓縮機廠房內，本身也不太現實。

圖1 典型往復式壓縮機布置

(2)分散布置帶來的影響

從配管的角度看，由于壓縮機本體與其他設備的布置分散，最大的影響便是設備之間管道的距離加長。壓縮機和級間設備之間管道增長，給級間管道增加了很多應力方面的變數，柔性增加剛度的減小，管系向著不利于減振的方向發展，并且對于特定管道，管道的增長，其熱應力也增加，需要進行合理管道布置和設置支架來消除熱應力。

2.壓縮機管道設計

對于往復式壓縮機的管道設計，其核心內容就是減小級間管道的振動頻率和幅度，避免共振的產生，而這些都與壓縮機脈動分析密不可分。管道的走向布置其實是與管道支架布置息息相關，所以振動管道的核心設計就是合理設置管道減振支架。對于高壓聚乙烯裝置中的這兩臺壓縮機的管道設計也是如此，只是高壓裝置的一些特點，導致管道的設計會有所不同。

(1)脈動分析的范圍

通常對于一般壓縮機脈動分析的范圍，從第一級入口緩沖罐算起一直到最后一級出口緩沖罐為止，但對于高壓聚乙烯裝置來說，情況卻不相同。壓縮機制造商對被視為脈動分析起始點的緩沖罐體積有要求，而裝置中一次機進出口緩沖罐的體積太小，不能充分緩沖管道中的脈動氣流，因此為了滿足制造商對于氣體體積要求，只能擴大范圍，把入口緩沖罐的上游管道和出口緩沖罐的下游管道一同計算入內，才能滿足要求。

對于二次機來說，其根本就不存在緩沖罐，其上游需計算到一次機出口，下游需計算到反應器，這無疑增加了振動管道的范圍，許多原本無需脈動分析的管道也需進行計算，導致振動管道遍布框架和管廊，為管道減振支架的設置帶來了困難。

(2)減振支架的設置

對于往復式壓縮機管道支架的設置，在所有的指導書或者規范中強調的無非兩點：①宜布置在自地下生根的管墩上[1]；②管道支架與壓縮機基礎和建構筑物脫開[2]。這對于一般壓縮機而言，比較容易做到，但對于高壓聚乙烯裝置，由于上文所述的機組分散布置，分析范圍較大等原因，以上兩點均不能做到。對此，從脈動分析本身出發，通過分析其本質要求或目的，來使管道支架的設置合理化，而不是教條的解讀規范或指導書上的條條框框，這才是一個比較科學的方法。

①支架剛度需求

沿地面敷設目的是管道支架能夠生根于地面，從而增加管道支架的剛度。根據API 618第5版中的P3.2.1中，管路的有效軸向剛度通常通過支撐的軸向剛度來確定，其計算公式為：

式中：Cks為支撐剛度單位決定的常數（SI單位：1/130；USC單位：25）；A為管子橫截面金屬面積，單位為mm2；I為管子橫截面面積的慣量矩，單位mm4；OD為管子外徑，單位mm；ID為管子內徑，單位mm；fn,T為最小橫向固有頻率，單位Hz；n為有效支撐數[3]。

在普通壓縮機管道設計時，由于壓縮機的最小橫向固有頻率較低，其對支架剛度的要求較低，一般生根于地面的支架均能滿足脈動分析的要求。但對于本套裝置的兩臺壓縮機，其固有頻率較高，其對支架剛度的要求也就比較高，所以在設計支架時都要考慮其剛度。因此，在設計支架之前，可以讓壓縮機制造商給出按其最小橫向固有頻率算出的支架剛度要求（表1），以便我們的設計有據可行。

表1 支架最小剛度要求

根據工程經驗，一般生根于地面和生根于地面但高度有限的支架經過加固等措施均能滿足要求。對于后者，為了滿足支架剛度的需求，一般會采取以下措施：A.眾所周知，混凝土的剛度比鋼結構要好，因此在考慮結構設計合理性的情況下，混凝土的基礎應適當抬高，減少鋼結構的長度從而增加剛度。B.針對鋼結構做補強措施，如增加斜撐、筋板，甚至鋼結構用方剛或者圓鋼，在里面灌注混凝土的方式來增強剛度（圖2）。

圖2 高壓管道支架設計

但布置在管廊和框架上管道，由于管廊和框架的自身結構剛度有限，要達到API標準的要求有些不切實際。極端情況下，管廊和框架的鋼梁由于環境溫度的變化，其自身熱脹冷縮導致的位移就不止1mm，要達到API的剛度要求幾乎不可能。在這個情況下，唯一的辦法就是把管道支架結構一起模擬進入計算模型，作為一個整體考慮，對具體支架進行具體分析，模型直接給出結構的修改意見，這樣往往切合實際，也容易實現（圖3）。

圖3 模型計算得出框架修改意見

上述兩種剛度要求方式各有利弊，前者對于輸入條件要求較低，不需要詳細的管道支架結構圖紙，僅需知道支架形式，且在計算模型中輸入也比較容易；而后者對輸入條件要求很高，不但要求一次支架、二次支架的圖紙，更要求生根管廊和結構的圖紙，且計算完成后，所有輸入條件都不能修改，這對于設計來說是個不小的挑戰，并且計算模型輸入周期長。對于如何選擇這兩種方式，應該分開要求，不能單選一種，對于敷設在地面，能滿足剛度要求的應采取第一種；對于無法實現的且生根結構比較復雜的應考慮第二種方式。

②管道支架基礎獨立

振動管道支架不宜與壓縮機基礎連接。振動管道支架與壓縮機本體共用基礎，則兩者通過基礎相互影響，導致相互的固有頻率改變，脈動分析的準確性受到影響，且有可能發生兩者之間的共振。

圖4 二次機進出口支架布置

對于高壓聚乙烯裝置中，特別是二次機，由于其振動頻率和振幅較大，需要密集地設置減振支架，其壓縮機進出口管道的第一和第二各支架分別設置在壓縮機平臺和基礎上，看似非常不符合常規（圖4），但仔細分析，發現這樣設計也是有所根據的，首先關于壓縮機和管道固有頻率的相互影響，由于二次機的固有頻率十分高，與管道的固有頻率相差巨大，因此再如何相互影響，也不可能發生共振。其次，管道支架共用一個基礎，可以通過將支架輸入計算模型的方式，既能計算管道與管道支架是否存在共振的可能，也包裝了脈動分析的準確性。因此，如此設計雖然不符合常規但也絕對安全可靠。

(2)減振支架的結構

對于振動管道的設計，最難的一點就是如何兼顧管道的靜態熱應力和動態脈動力。因為兩者是相互矛盾的，前者希望管道柔性越好，靜應力越小；后者要求管道的剛度越好，管系的固有頻率越低，則越遠離激發頻率共振區域，管道振幅的也會減小。

高壓聚乙烯裝置也存在該問題，但通過減振支架的結構，攻克了這一難關。其核心是通過管道一次支架（減振支架）與管道之間的摩擦力來抵消動態力，通過一次支架和二次支架之間連接結構的來抵消靜應力。

減振支架通常分兩種，管卡式和碟簧式，但不論哪種，原理都是通過預緊螺栓或者彈簧產生的預緊力，預緊力通過管夾給管道施壓，從而產生管道與管夾之間的摩擦力。換而言之，根據管道動態力的大小，通過調節預緊螺栓或者彈簧來控制摩擦力的大小，使其能抵消動態力。

而且由于通常動態力很小（幾百公斤），而管道的靜應力相對較大（幾噸），因此減振支架的摩擦力無法限制管道的熱位移，所以在原本應力分析完畢的管道上增加減振支架，不會對應力分析有影響。但有一個例外，就是當管道本來有向上的位移時，由于本來減振支架給與管道向下的壓力，當遇到來自管道向上的位移，導致管道與下管夾的摩擦力下降，這樣減振支架的效果會打折扣，無法消除動態力。

至于靜應力，則通過一次支架和二次支架之間連接結構設計來實現。如開長圓空、徑向或軸向增加擋塊等。

由此可見，由于增加減振支架基本不會影響靜應力的分析，因此在管道布置時，應該先考慮如何通過靜應力分析，根據靜應力計算結果設置支架，避免垂直向上熱位移的支架點出現，而不用考慮減振支架給應力帶來的影響，只需考慮支架之間設置在減振支架的空間，最后按脈動分析的結果增加減振支架。

3.總結

高壓聚乙烯裝置中的往復式壓縮機，其壓縮機管道的設計中確實有一些特殊之處。但歸納起來無非是應從支架生根的剛度出發，選擇合適的脈動分析的方式，不拘泥于規范，先考慮管道靜應力，在其基礎上結合脈動分析包括，設置減振支架，最后再補齊脈動分析中遺漏的部分。