往复式压缩机缓冲罐接管失效分析及优化措施

往复式压缩机缓冲罐接管失效分析及优化措施

余绍辉

中安联合煤化有限责任公司 安徽 淮南232087

摘要：通常压缩机的往复式运动通过活塞转换能量，能变化容器体积的方式，气体在容器里增压，会对排出气曾压、曾效率、适合力强的等等有优势的现代的化工企业、炼钢行业、石油产业等都在广泛得应用这种方式。经过对容器内循环的气体往复式压缩机缓冲的罐接机管故障开裂案例事故的剖析，能查找到很多故障的原因，我们提出一些解决指导性方法与指导思路，

关键词：往复式压缩机；缓冲罐接管；振动；措施

引言

2022年5月某装置循环气往复式压缩机运行中，二级出口缓冲罐（V2238）出现了CO和H2S泄漏事故，调查结果是泄漏的部位是为二级管路缸体的缓冲罐链接得管路正南方侧面筋板的测上方，发现问题立即就采取相关事故调查。从管道振动、支撑以及接管设计等方面进行分析，得出泄漏的原因和机理，给出了合理的改进建议，为压缩机继续安全运行提供了技术保障。

往复压缩机型号为：4M16-25.3/6.9-30.9，流量25.3Nm3/min、轴功率852KW、转速375r/min，分为2级压缩，进排气压力为 0.69/3.09MPa[1]。其主要用作对有效气进行提压，经提压后有效气重新返回系统，提高有效气的回收效率。

1.原因

1.1泄漏原因

表1缓冲罐相关资料和主要参数

  对于缓冲罐内的容器壳体和容器封头仔细检查后，如未发现有任何的异常，且防腐层还良好，也无很明显的表面缺损，用超声波监测的结果显示，剩余的壁厚度还能满足需求。图1是接管出是实际为一个悬臂梁式的结构。在对接管出进行无损抽检，发现一侧接管无异常，另一端接管出用肥皂水泡沫进行检测时，泄漏气体非常的明显。介质会中含有一氧化碳、氢气以及硫化氢泄漏出来，漏点位于该接管正南侧筋板上方，加之防腐涂层的遮挡，无法通过宏观检查判断裂纹的长度。停机后对该处进行PT检测发现一条相对筋板呈对称状的贯穿裂纹（见图1）。

图1 接管泄漏部位

1.2裂纹产生原因

裂纹发现前至发生过程，压缩机运行参数正常，但存在一二级排气缓冲罐及二级出口管线振动较大等问题，根据现场勘测采集到的数据情况综合来看，发现振动位移主要集中在 1-100Hz 频率范围内，其中二级排气缓冲罐连接管处位移峰值出现在约 31Hz，约为 250um（见图2）；而在二级排气缓冲器（V-2238）处，位移峰值出现在约 37Hz，约为 260um（见图3）。远超API618关于往复式压缩机管路振动设计准则[2]

图2 接管处振动

图2 缓冲罐处振动

1.3引发式压缩机的管道频繁振动的主要原因有那些分？

往复体的压缩机组管道线路振动频繁原因有很多，但我们从生产工艺难度的实际情况来看，国内外的很多管道线振动的研究发现，能引起压缩机线路的管道振动主要原因为：高压气体的颤动和共通振动、压缩机机组的自身安装从在问题。

1.3.1 气流脉动

往复式的压缩机机组在运行转动过程中，吸排的气会变成间歇性和周期性的重复变化，它会引起气流的高压力下脉动，通常称它为气流的脉动。这种方式的压缩机组中它还具备高压力下的气体高速运动性，它受到了压缩机组高压力时，管道的弯头、还有三通、变径、和安全阀门等配件的阻隔，会产生周期性且有很高能量的高压力脉动，这会直接的导致往复式的压缩机产生非常强的振动。

1.3.2 设备与管道的共振

压缩机共振可以分为结构部件共振和气体共振两种。压缩机管道等结构部件在压缩机运行中是一个具有固定频率的机械振动系统，当电机的基频频率与该频率相重合或者接近时，就会迫使往复式压缩机内部发生剧烈振动。该情况下结构件共振、应力集中，出现压缩机部件劳损等现象。同时，气体在管道和容器内部生产气体的构成形成系统性，它具有一定的振动频率，当管道内的气体流向大于设计参数，会发生气柱的共振[4]，此时会引起管道内部强烈的振动，随着管道压力的脉动振幅变大，会是气体阀严重损坏乃至造成机组和管路的振动强度加大。因此，我们在容器管道设计时必须考虑使线路固有振动频率远离机器的激振频率，有时由于设备使用寿命时间，设备的振动频率是不可以更改的，因此，通常是经过改变的管道安装布置和调整管系支架来改变管系的固有频率，达到减振的目的。

1.3.3机组自身安装问题

机组本身的动平衡性能差、安装不对中、基础及支承设计或安装不当均会引起机组振动。此振动传递给与它连接的管道, 带动管系振动。

缓冲罐作为中间设备，固定端支架的抗振性能不足；连接管应视作缓冲器的一部分，但以其相对尺寸又可视作细长管直连于压缩机排气管口，本身刚性不足，且没有其他有效支撑，工作时自身产生了较大的振动；滑动端支架形式亦仅为

简单支撑型刚性支架，并未设置具有减振阻尼功能的产品，不能对管道起到振动抑制作用。

本压缩机造成二级出口管线振动大原因为二级出口管线支撑安装不合理，未使用混凝土基础，而使用膨胀螺栓，造成管线支撑强度下降，长期振动造成膨胀螺栓松动进一步加剧管线振动。

1.3.4压缩机管道振动标准

往复式压缩机是大型压缩机设备，属于 GB/T 6075.2—2012《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》第六部分的第 5、6、7 类机械振动的评定范围，其评定标准由 A 到 D 依次是：A—最佳机器状态（刚投入使用的机械振动状态），B—机器的振动状况良好（能长期工作），C—机器的振动状况较差（不适合长时间运行，应定期进行维修），D—机器的振动状况很差（机器可能出现损坏，应立即停止，进行维修）[2]。

根据现场压缩机振动测量结果，与振动标准对照，压缩机振动的较大的部位为后二级排气缓冲罐接管，振动速度为 30 mm/s，见表 1。按照ISO10816 《往复式机械振动评价标准》，见图 4 所示，第 5 类机械振动值比较时，后二级排气缓冲罐接管振动位于 B 等级和 C等级之间，需要特别注意。第 4 类机械振动值比较时，后二级排气缓冲罐接管振动位于 C 等级和D等级之间，应定期进行检查维修。

图3 ISO10816 《往复式机械振动评价标准》

1.4缓冲罐接管失效分析

缓冲罐接管为一悬臂梁式结构，接管在压缩气体的脉动作用下处于受迫振动状态，承受疲劳载荷，根部应力最大，但V2238罐接管根部焊有加强圈。此外，该接管尺寸为Ф168×7×1150mm，管线较长（见图4）。由于接管及法兰本体的自重，接管下半部分比上半部分承受更多的拉应力，因此在距缓冲罐150mm的接管上设置有三根呈120°布置的δ=8斜拉筋，以降低缓冲罐接管振动，但斜拉筋近似为点约束，无法真正限制接管振动。由于拉筋直接焊在接管上，若焊接时存在缺陷则会加剧失效。同时，该压缩机一、二级出口的脉动气体经过相对较短的连接管直接排入排气缓冲器，管口固定点与缓冲器底座固定点之间的管道没有足够的柔性吸收脉动气流形成的冲击能量，进而导致连接管与缓冲器之间的焊缝处成为释放动态力的薄弱区域（见图5）。

图4 V2238缓冲罐及接管图

2.振动改进措施

由于压缩机本身频率以及现场接管已固定，从结构部件共振和气流脉动两方面无法实际改进，现从接管拉筋、管线支撑以及运行管理等方面进行改进。

2.1优化接管拉筋

缓冲罐接管为一悬臂梁式结构，其上斜拉筋近似为点约束，无法真正限制接管振动，考虑将约束限制为线约束或面约束，抑制振动效果会更好。因此采用如下修复方案：

（1）当接管为不等径缩径管时，按图5（a） 进行现场焊接；当接管为等径直管时，按图5（b）进行现场焊接；当在取压点处的接管为斜插管时，按图5（c）进行现场焊接[5]。

图5 拉筋设置方式

（2）在接管上斜拉筋焊接处增加护板，避免焊接缺陷对接管的影响。同时，接管补强结构简单、焊缝少，能够有效地降低应力集中。本次泄漏事故发生后主要采取该方式。 

2.2优化管道支撑

（1）加固管道支撑；支架基础应尽量避免采用单薄的高空钢结构形式；实在无法避免时，应对钢结构支撑和钢构平台整体加固设计，将原有支撑地脚螺栓改为化学螺栓以增加支撑刚度。同时增加混凝土承台，缩短支撑高度。

（2）安装阻尼器；现场管道弹簧支撑为满足管道的热膨胀而设置，但弹簧支撑在管道发生振动时反而会放大管道振动。为解决该类问题，应在管道振动较大处设置三向粘滞阻尼减振器，不仅可以吸收管道振动且不引起管道的应力增加，是对弹簧支撑减振劣势的有效补充，见图8。

图6 增加管道阻尼器

2.3优化运行管理

在往复式压缩机组运行过程中，应稳定工况，避免大负荷波动。，同时定期对循环气压缩机其他类似位置进行着色检查，提前发现设备缺陷。另外，定期对压缩机排气管线等部位测振，注意接管泄漏的情况，确保机组无泄漏。

4结束语

本文通过对某公司循环气压缩机排气缓冲罐接管开裂进行失效分析，表明接管开裂失效的主要原因为管道振动，并从气体脉动和共振、机组自身安装问题等方面分析振动产生原因，并提出消减管道振动的具体措施。

参考文献：

[1]4M16-25.3/6.9-30.9型使用说明书

[2] API standard 618.Reciprocating compressors for petroleum[S].Chemical  and Gas Industry，2007：51-52

[3] 往复式压缩机管道振动原因与减振措施[J]. 赵伟红.中国设备工程. 2007(06)

[4] 往复式压缩机组的振动机理及控制策略[J]. 潘鑫,赵元林,杨怀军,李增魁.设备管理与维修. 2021(07)

[5] 压缩机出口缓冲罐接管失效分析及修复[J]. 宋瑜.广东化工. 2013(24)