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1、柴油加氢装置往复压缩机管线振动分析及整改措施陈建军 肖洪辉（玉门炼化重整加氢车间）摘 要 本文阐述了玉门炼化 50 万吨 /年的柴油加氢装置往复式压缩机管线振动的危害、产生的机理及原因分析，通过对往复式压缩机管线振动进行分析及计算，找到了管线剧烈振动的原因，并结合实际情况，通过对管线支撑的整改和缓冲罐进、出口加限流孔板等手段，使往复式压缩机管线振动在规定范围之内。关键词 往复式压缩机 管线振动 原因分析计算 整改措施 1 引言玉门炼化总厂柴油加氢改质装置设计处理量为 50 万吨 /年。该装置于 2002 年底建成，到 2009 年 4 月正式开始运行。该装置的新氢压缩机是往复式压缩机，其作用是
2、将重整加氢装置来的氢气增压后补充到装置的循环氢中，以提供本装置反应所消耗的氢气。2 管线振动的危害在柴油加氢改质装置投入运行后，发现一台往复式压缩机（ K-501/1）管线振动很强烈。由于强烈的管线振动，将会使管路附件，尤其是管道的连接部位、管道与附件的连接部位、管道与支架的连接部件等地方发生磨损及松动，产生强烈的噪声。在振动所产生的交变应力作用下，导致疲劳破坏，轻则引起管线撕裂、氢气外泄，重则会由管线撕裂发生爆炸，造成严重的生产安全事故。由于本套装置管线中是高压氢气，一旦泄漏很容易因为摩擦发生静电起火爆炸，且发生事故后很难及时处理，只能等临氢系统内压力泄完后才能进行进一步善后处理，会给装置生
3、产、安全造成严重危害。2009 年 5 月 23 日凌晨 0： 00 时，由于长时间管线振动剧烈，压缩机三级出口到三级入口的连通管线与三级进气管线连接处被撕裂出现 40mm 的裂纹，氢气大量涌出，场面相当危险，只能紧急停厂，对 K-501/1 机组管线进行吹扫置换处理，随后被迫更换 1687的管线 500mm。3 管线振动的机理3.1 气柱共振压缩机管道内的气体构成一个系统，通常称之为气柱。气柱本身具有的频率称之为固有频率，用 f 表示；压缩机活塞的往复式机械运动的频率称之为激发频率，用 fx 表示；管道及其组成部件组成的系统结构本身具有的频率称之为管系机械固有频率 1。通常把（ 0.81.2
4、）fx 的频率范围作为共振区域，当气柱的固有频率落在激发频率的共振区域时，将发生气柱共振。当管系机械固有频率落在激发频率的共振区域或者气柱固有频率的共振区域时，将发生结构共振。共振时，管线将产生较大的位移和应力，管线内氢气的脉动将达到极大值。3.2 气流脉 往复式 机的工作特点是吸、排气流呈 歇性和周期性，所以不可避免的要激 出口管 内的流体呈脉 状 ，使管 内的气体参数随位置及 作周期性 化， 种 象称之 气流脉 2。气流脉 沿管 送 ，遇到弯 、三通、大小 、分支管 、 、孔板等元件 都将 生随 化的激振力，受到 激振力作用的管 将 生一定的机械振 来响 。气流脉 是往复式 机管 生振 的
5、主要原因之一。3.3 机 自身振 管 振 常常也是由于机 自身的振 引起的。机 本身就会存在 平衡性差，安装不 中等特点，基 及支撑不当等都会引起机 的振 ，从而 致管 振 。4 管 振 的原因分析4.1 气柱共振分析 算4.1.1 气柱固有 率 算由管 振 的机理可知，当 足：激 率在（ 0.81.2）fx ，将 生气柱共振。 算可得，共振条件 ： f=812（Hz）即当气柱固有 率在 812 范 内 ， 生管 振 。根据分析 算需要，把整个 机系 分成 八个部分，依次 ：（ a）一 冲罐 口；（ b）一 出口 冲罐至一 冷却器；（ c）一 冷却器至一 分离器；（ d）一 分离器至二 口 冲
6、罐；（ e）二 出口 冲罐至二 冷却器；（ f ）二 冷却器至二 分离器；（ g）二 分离器至三 口 冲罐；（ h）三 冲罐出口。将各管 的固有 率从小到大定 一 、二 、三 。 算得出 机管系各部分的第一 、第二 、第三 气柱固有 率都避开了激 率的共振区域，故管 不会 生共振。 4.1.2 管系机械固有 率 算前面分析 算得出 机各部分管 的第一 、第二 、第三 气柱固有 率都避开了激 率的共振区域，不会 生共振。所以造成管 振 的原因必然是由于管系机械固有 率引起的。管系机械固有 率的 算可以通 利用有限元法 行 算数 ， 表 1。3。经过计算得到整个压缩机系统八个部分的10 阶管系机械
7、固有频率由表一中的十阶管系机械固有频率数值，可以得出以下结论：压缩机机组管线中的（ e）、（ g）、（ h）部分的一阶管系机械固有频率都小于激发频率，正处于激发频率的共振区域，所以在高阶频段下会与压缩机的激发频率产生共振。4.2气流脉动分析计算气流脉动的大小通常用压力不均匀度来衡量，管线的气流压力不均匀度越大，则压力变化就越大。因此管线振动的振幅就越大，说明振动能量越大，故对管线破坏的可能性就越大；所以要求气流压力不均匀度越小越好。由计算得出压缩机各部分的压力不均匀度和对应的压力不均匀度许用值，具体结果见下表2。表 2由上表计算结果表明：压缩机机组管线中的（e）、（ g）、（ h）部分气流脉动
8、的压力不均匀度已经超过压力不均匀度许用值，所以（ e）、（ g）、（h）部分的气流脉动振幅值较大，其振动激发力较大。5 管线减振的措施5.1 增大管系机械固有频率针对计算出的结论：压缩机机组管线中的部分的一阶管系机械固有频率都小于激发频率，正处于激发频率的共振区域，在高阶频段下会与压缩机的激发频率产生共振。管线机械固有频率小的原因是由于支架刚度过小，支架的形式位置不合理；可以就这三部分的管线作出整改，增加管线支架的刚度。即是将管线支架基础做到离管子 500mm 左右的地方，做钢结构支架，并且支架形式也有所改变；这样就可以很有效的提高管线支架的刚度。 整改后的管线机械固有频率见表 3表 3要减少
9、管线的振动，相邻两个支架的间距不能相同，其差值一般在 100-200mm。 5.2 减小管线压力不均匀度 5.2.1 合理设置缓冲器设置缓冲器被认为是最简单而有效的减小管线气流压力不均匀度的措施。它能使缓冲器后面的管道内的气流变得缓和，其作用与柔性分析中的补偿器相似。要达到理想的减小管线气流压力不均匀度的效果，则缓冲器必须有足够的容积。根据计算得出一级进出口，二级进出口，三级进出口缓冲器的实际容积都是大于最小理论缓冲器容积的，是符合要求的。 5.2.2 增设孔板在缓冲器的出入口处加设适当尺寸的孔板，可以将该段内的压力柱波变成行波，使管线尾端不再具有反射条件，从而降低了管线气流的压力不均匀度，达
10、到减轻管线振动的目的。经过计算得出二级出口、三级进口、三级出口所加孔板的尺寸参数大小如表4表 4（三级进出口缓冲器孔板参数）6 结束语柴油加氢改质装置新氢压缩机 K-501/1 的管线经检修整改以后，开机运行后经过振动仪测量管线各部位，发现管线振动均有很大的改善。振动管线的最大水平位移由整改前的 2203m减小到 200m，降低的幅度 90.8%。管线的最大垂直位移由整改前的 971m减小到 100m，降低的幅度 89.7%。管线的最大轴向位移由整改前的 722m减小到 50m，降低的幅度 93.3%。整改后的振动位移均规定范围之内，由此可见整改效果很好。柴油加氢改质装置长时间运行到管线撕裂期
11、间共连续生产一年，如按照管线平均一年可能发生一次撕裂故障计算，维修一次要花费 5000 元，非正常停工一次，按照 24 小时计算，则减产柴油 1500 吨，每吨出厂价为 6000 元，则间接造成经济损失 900 万元，加上其它成本共计 905 万元。而本次整改所需的混凝土支柱所需水泥费用、混凝土支柱所需钢材费用、 DN150 不锈钢孔板 3 个费用、工程安装费用、设计费用、其他费用等共计仅 10.3 万。每年为本装置避免经济损失至少为894.7 万元。通过本次整改，从检修完成开厂后一直使用K-501/1 机组，没有发现管线剧烈振动现象，彻底消除了 K-501/1 的安全隐患，为柴油加氢改质装置的长周期运行创造了良好条件，保障了本装置员工的生命安全和装置的设备安全。参考文献1 韩丽艳，车俊铁超高压往复压缩机管线振动的分析J石油化工设备2005.34（4）： 30-312 李斌 二氧化碳压缩机管线振动原因分析及减振措施J压缩机技术2007.2： 33-353 邵蕴秋 ANSYS8.0 有限元分析实例导航M 北京：中国铁道出版社2004： 64-67