刘磊 隋国亮

摘 要：本文通过对往复式压缩机容器测点接管焊口开裂的原因分析，结合相关标准和实践，提出往复式压缩机在设计及现场安装施工方面需要注意的问题以及防范措施。

关键词：高频振动;压缩机;缓冲罐;楔形支座;焊口开裂

中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）10-0048-03

随着世界经济发展对能源的需求和依赖程度也越来越高，石油供给日趋紧张。为了提升国内原油的加工能力和开发研制石油替代品，我国新建和扩建一批炼油厂和大型煤化工企业，而往复式压缩机则是炼油行业的关键设备之一。往复压缩机在使用过程中出现的一些新问题则需要引起足够的重视。

1 案例情况说明

某炼油厂新区火炬气、加氢干气及低分气回收利用项目，2D32-60.4/3-28型干气压缩机。运行参数见表1。介质组分见表2。

干气压缩机B机在运行过程中突然出现氢气报警监测仪报警的情况，浓度逐步上升，监测浓度达到17.6%时，值班人员立即执行了紧急停车的操作。同时告知调度和车间其他装置，及时调整操作，保证平稳生产。停机后，开窗户并加强通风，使监测浓度恢复至正常值0%。机组停机卸压后压缩机充氮气进行漏点查找，发现二级出口缓冲罐压力表引压管短接法兰焊缝开裂。见图1，图2。

二级排气缓冲罐压力仪表引压管焊缝开裂，氢气泄漏，险些造成安全事故。初步怀疑是施工过程中焊接问题导致。经过紧急抢修重新投入生产。

三天后，干气压缩机B机相同位置再次出现泄漏。针对缓冲罐仪表引压管二次断裂的情况，使用方、设计院相关专业技术人员在停机后立即对断裂部位焊口及接管进行了渗透检测，经过对控制室运行数据和曲线调查及分析，认为压缩机二级出口缓冲罐存在低幅高频振动，引起罐体上附属管线出现疲劳破坏。

2 原因分析和探讨

引起容器附属设备焊接管线焊口断裂的可能因素有多种，下面就可能因素进行分析和探讨。

2.1 管线方面原因分析

現场仪表管线采用的尺寸是φ14mm，不是常规使用的φ10mm或者φ12mm。仪表管线的刚性比较强，同时在实际布线上，缺乏有效的挠性的设置，容易造成应力集中无法缓解和消除。

对于仪表管线尺寸的选择，虽然采用的是φ14的仪表管，但不是造成管线开裂的直接原因。φ14的仪表管承压能力更好，因此只要管线设置合理，焊接符合要求，完全可以缓解和消除应力集中，避免引压管线焊缝开裂。

现场测压点根部阀和容器之间采用的是无缝钢管短节连接，承插焊根部阀和仪表管线直接连接的形式。仪表根部阀的连接设计[2]，符合国家标准HG/T21581《自控安装图册》的规定。

2.2 振动方面原因分析

管道设计振动准则。管道振动振幅（峰-峰值）的许用值和危险值参照API618《石油、化学和气体工业设施用往复压缩机》标准五版第7.9.4.2.5.2.4条款中的指导值。

如图3所示：（1）对频率低于10Hz（频率10Hz也是根据ISO 10816），固定的许用振幅为0.5mm峰-峰值（20mils峰-峰值）;（2）频率在10至200Hz之间，固定的许用振动速度约为32mm/s峰-峰值（1.25in./s峰-峰值）。

从使用方现场的测量，管路上各测试点的振动数值均远小于API618中的指导值[4]。故消除工艺管线及设备的振动并不能保证完全消除设备其他位置的高频振动。

2.3 压力容器设计方面原因分析

现场压缩机排气缓冲罐支撑采用楔形支座结构。采用此种支座的目的主要是为了避免排气缓冲罐受热膨胀产生的热应力对机组运行或容器的使用寿命造成影响。具体如下：

楔形支座主要由楔形座，拉杆，胶垫及底板等组成，见图4。

压缩机工作时，排气温度较高，而考虑到具有较好的缓冲效果，排气缓冲罐一般设置在气缸的正下方，故在压缩机运行时排气缓冲罐会受热膨胀，产生较大的热应力，如不设法消除可能导致气缸被顶起或容器损坏的事故，筒体直径越大越容易出现问题。

以本台压缩机为例，一级排气温度为90℃，Q345R材料的线膨胀系数为11.6*10-6（1/℃），缓冲罐的筒体直径为1000mm，冬季环境温度按0℃考虑，根据公式“膨胀量=筒径x线膨胀系数x温差”，经计算可知缓冲罐筒体在温度升高后将膨胀约1.05mm。如果采用普通JB/T4712标准的鞍式支座[3]，如此大的膨胀力将直接作用在气缸体上，将导致气缸体被向上顶起，同时缓冲罐筒体也会受到较大的应力，对压缩机的安全运行带来较大的安全隐患。

若采用楔形支座，筒体膨胀后首先会被胶垫吸收一部分膨胀量，另外膨胀力会对楔形座产生一个水平分力，此分力作用在拉杆上使拉杆伸长又会起到一定的补偿作用，解决了普通鞍式支座无法补偿膨胀量的问题。

由于筒径较大的缓冲罐长度也较长（长径比不超过4.0），故排气缓冲罐一般设置两个支座，见图5。

如果仅设置一个支座，无论是放在进气口正下方或是出气口位置均导致缓冲罐另一端成为无支撑的悬臂梁结构，压缩机工作以后，在气流的作用下将导致无支撑端发生振动。此种情况在其他设备也曾出现过，由于进气口下方支座螺栓未紧固，导致缓冲罐振动过大，后期将螺栓重新紧固即消除振动。

由于楔形支座与基础并无地脚连接，为了防止缓冲罐出气口端向上或横向振动，在出气口侧的楔形支座外面又增加了一个固定支座带，与基础通过地脚螺栓连接，起到完全固定缓冲罐的作用。

综上，缓冲罐采用楔形支座能够有效解决缓冲罐热膨胀对机组运行造成影响的问题。同时能够降低管道振动对容器造成的影响。

2.4 施工方面原因分析

缓冲罐上仪表引压管焊缝出现开裂，不排除仪表管与阀门焊接施工时存在残余应力过大的情况，在振动载荷作用下加剧损坏，短时间即发生断裂。

3 防范解决措施

（1）管线的布置方面，可以通过增加仪表管线和根部阀之间的直管，同时尽量多设置些过渡和缓冲布线的方法来缓解和消除应力集中。（2）仪表根部阀方面，可以取消缓冲罐现有引压管法兰和阀门之间的短节，直接将引压管一次阀门（整体法兰阀）安装在设备自带法兰上，阀门缩小尺寸、降低重量、减少焊口。阀门上方采用不锈钢法兰盖开孔焊接引压管的方式连接。阀门形式如图6。（3）为了降低缓冲罐处的振动，在排气缓冲罐的进气口法兰处加装孔板来改变降低缓冲罐的振动频率。将原有法兰之间的垫片替换为孔板式垫片。（4）在保证进气介质不含液的条件下，降低引起振动的可能，尽量减少容器上的附属设备，拆除缓冲罐上液位计和附属排液、放空阀门。

通过上述的改造措施，现场确实达到了避免缓冲罐与引压阀组共振，使引压管线的振动频率及振幅减小。避免引压阀和引压管焊接部位再次断裂现象的发生。保证了机组的安全运行。

4 结语

高频振动的产生原因，是由于容器上仪表分支管线及其阀门的固有频率比较高，容易产生高频振动，这样与其相连的缓冲罐虽然产生的只是正常振动，却会带着仪表分支管线及其阀门产生高频振动。而且管道的固有频率跟现场的施工情况有着很大的关系。这样的仪表分支管线及其阀门的高频振动是很难去计算和预见的。虽然这种高频振动不是常常出现，一旦出现造成的后果会很严重，同时也很难解决。

综上所述，为了保证压缩机运行的稳定性和安全性，在压缩机设计制造，现场安装施工的过程中，要充分充分考虑振动对机组的影响，为预防高频振动导致的管线开裂，制定合理的措施，以保证压缩机的使用性能及使用寿命。

参考文献

[1] 郁永章，姜培正，孙嗣莹.压缩机工程手册[M].中国石化出版社，2011.

[2] HG/T21581-2010，自控安装图册[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、化学和气体工业设施用往复压缩机[S].