天然氣壓縮機組振動隱患治理

趙金省 李 攀 馬玉騰 王泫懿

1. 西安石油大學石油工程學院 2. 陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術重點實驗室3.中國石油長慶油田公司蘇里格氣田第二天然氣處理廠 4.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院5.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室

0 引言

往復式壓縮機組工作時由于周期性地吸氣和排氣會產(chǎn)生一個脈動力，這種脈動力會直接作用在基礎、管道系統(tǒng)和容器上，產(chǎn)生大幅度振動，容易引發(fā)管道結構及其附件產(chǎn)生疲勞破壞，大大降低壓縮機的工作效率，嚴重時會引起管線破裂并可能引起爆炸等惡性事故[1-5]。相關研究人員已經(jīng)針對往復式壓縮機運行過程中出現(xiàn)的振動問題及治理措施進行了大量的研究工作，提出了相應的振動消減措施，包括調整壓縮機運行轉速、優(yōu)化管路系統(tǒng)、增加匯氣管的緩沖容積、安裝消振孔板、增大管道拐彎弧度和增設管夾約束等[6-8]。

中國石油長慶油田公司蘇里格氣田第二天然氣處理廠（以下簡稱第二天然氣處理廠）采用6臺燃氣驅動往復式天然氣壓縮機組，運行2年后，壓縮機組逐漸暴露出振動超標問題，并引起上下游管網(wǎng)振動過大，導致壓縮機橇5具進口緩沖罐出現(xiàn)裂縫和各類管卡、支撐、螺栓等斷裂，設備基礎開裂，并存在管網(wǎng)長期振動引發(fā)金屬疲勞和管線破損的風險，對蘇里格氣田和第二天然氣處理廠的安全生產(chǎn)構成重大隱患。對此，開展了對壓縮機振動隱患的治理工作，經(jīng)歷了從單臺治理到6臺共振治理，從壓縮機本體治理到壓縮機基礎治理，從局部認識到系統(tǒng)性分析的過程。為此筆者在對第二天然氣處理廠壓縮機組運行過程中的振動進行系統(tǒng)分析的基礎上，提出了相應的振動控制措施，并對消振效果進行了評價。

1 壓縮機基礎及工藝管線設計概況

壓縮機基礎地基采取單臺逐一開挖方式施工，每臺基礎約長15 m、寬6.8 m，基礎施工完后原砂回填。壓縮機基礎墊層自下而上，底層500 mm厚原砂水墜，一層500 mm厚級配砂石，壓實系數(shù)不小于0.95，100 m厚C10墊層。

壓縮機基礎為C30混凝土，長16.2 m，寬7.6 m，深3.05 m，基礎有直徑為900 mm的灌注樁8根。第二天然氣處理廠采用先處理后增壓的工藝，工藝管線從裝置區(qū)出口直徑為800 mm 匯管至增壓站后，分6路分別進入各臺壓縮機，6臺壓縮機并聯(lián)布置。

2 壓縮機組基礎和工藝管線的振動模式及出現(xiàn)的問題

2.1 壓縮機組振動模式

2.1.1 壓縮機組基礎的振動

壓縮機組橇體與基礎通過地腳螺栓連為一體，整個振動系統(tǒng)包括壓縮機本身、驅動機、管線和基礎等。壓縮機組基礎作為該系統(tǒng)中的重要組成部分，基礎振動的超標會使壓縮機組橇體的振動更加劇烈[8]。壓縮機組基礎振動可以分解成垂向、縱向和橫向的平動，以及繞剛體質心在這3個方向的轉動[9]。

2.1.2 天然氣管道的振動

2.1.2.1 氣流脈動

往復式壓縮機由于間歇性吸排氣在管道內形成氣流脈動，當這種脈動的氣流在管道內遇到彎頭、三通和閥門等管道結構或元件時就形成激振力。當氣柱激發(fā)力的頻率與管道結構系統(tǒng)的固有頻率相近時，就形成了機械共振[10-11]。

2.1.2.2 壓縮機組振動引起管路振動

壓縮機組振動引起的管道振動通常是在近壓縮機的管道，一種情況是壓縮機組振動使連接壓縮機組主體的管道劇烈振動；另一種情況是由于壓縮機組本身設計的問題會引起基礎振動，從而帶動與壓縮機組基礎相連的管道振動[12]。

2.1.2.3 振動波在地層中的傳播

振動在土壤中的衰減有兩種原因[13-14]：①振動能量被土壤阻尼所消耗和吸收，短波的高頻波在土壤中具有較快的衰減，長波的低頻波在土壤中具有較慢的衰減；②隨著距離振源中心越遠而振動會逐漸擴散。

2.2 壓縮機組及管線振動出現(xiàn)的問題

2.2.1 緩沖罐及壓縮機橇內部位開裂

第二處理廠先后發(fā)現(xiàn)5臺次天然氣壓縮機組的進口緩沖罐出現(xiàn)裂縫，壓縮機組的運行時間介于3 431～14 439 h（圖1-a）。在生產(chǎn)運行過程中，壓縮機組橇內部位也多次出現(xiàn)諸如緩沖罐地腳螺栓、緩沖罐罐卡和管線支撐等部件的斷裂（圖1-b、c、d）。

2.2.2 天然氣壓縮機組橇外振動情況

圖1 緩沖罐及壓縮機組橇內部位開裂圖

在生產(chǎn)過程中，壓縮機組入口天然氣管線在龍門架上方出現(xiàn)了間歇性的振動和轟鳴聲。同時，當壓縮機組在設計轉速工況下運行時，雖然廠房內的壓縮機組入口管路已經(jīng)埋于地下，但是3號和4號壓縮機組入口管線在出地面接壓縮機組橇處能感覺到比較強烈的振動（圖2）。

圖2 增壓站管線示意圖（紅圈內為振動強烈點）

2.2.3 壓縮機組基礎振動

2.2.3.1 壓縮機組基礎開裂

6臺壓縮機組的基礎，都在垂直方向出現(xiàn)了開裂（圖3）。采集人員站在基礎上時，也可以明顯地感覺到腳下的基礎在劇烈地振動。

圖3 壓縮機組基礎開裂圖

2.2.3.2 壓縮機組基礎振動超標

根據(jù)GB 50040—96《動力機器基礎設計規(guī)范》[15]，基礎的振動應同時控制頂面的最大振動線位移和最大振動速度，基礎頂面控制點的最大振動線位移不應大于0.20 mm，最大振動速度不應大于6.3 mm/s。為了檢查壓縮機基礎的振動情況，在壓縮缸中間的橇裝平臺上間隔一個壓縮缸依次布設3個振動探頭作為監(jiān)測點，監(jiān)測結果表明，3個監(jiān)測點的最大振動速度介于12～16 mm/s，均遠遠超過了規(guī)定值。

3 壓縮機組振動綜合性分析

3.1 能量守恒定律分析

從能量守恒的角度分析，天然氣和空氣在發(fā)動機內的爆炸燃燒是能量的來源，熱能一部分熱交換散失于機體，另一部分轉化為動能。動能又分兩部分，一小部分引起機體振動，大部分傳遞給壓縮機組，壓縮機組的動能又轉化為兩部分，一小部分引起壓縮機機體振動，大部分變?yōu)闅怏w的內能和熱能。在此過程中發(fā)動機和壓縮機組的振動能量，會分為兩部分，一部分表現(xiàn)為壓縮機組橇體和基礎在標準范圍內振動，另一部分會以振動波的形式，向基礎和周圍的地層中傳遞，被耗散和吸收。

從宏觀來看，壓縮機組的振動超標，說明振動能被基礎和周圍地層吸收和耗散的少，因此壓縮機組橇體和基礎振動的劇烈，超出標準。這也符合第二天然氣處理廠壓縮機設備的損壞特點，表現(xiàn)為整體、普遍和無規(guī)律性。

3.2 地基土壤分析

3.2.1 壓縮機組安裝前后地基土壤性質變化

第二處理廠增壓站地基為紅砂巖，比普通土壤地層硬度大、抗壓性能好。施工時采取6臺設備基礎單臺開挖，基礎施工完后，原砂回填（圖4），這就導致設備基礎周圍施工前后的土壤剛性差別大。在振動波的傳導中，會由于土壤密度的差異，在單臺壓縮機組周圍的土壤中來回發(fā)射，不易傳導，因此能量聚集。

圖4 壓縮機組基礎振動示意圖

表1 壓縮機組房內土壤干密度測試數(shù)據(jù)表

經(jīng)過對壓縮機組周圍土壤開挖檢測，土層每50 cm取不同處土樣檢測，計算壓實系數(shù)（表1）。施工技術要求混凝土下土壤壓實系數(shù)需大于等于0.95，由表1可知，9份土樣中僅有1份土樣壓實系數(shù)達到0.95。表明壓縮機組基礎周邊土壤壓實度較差。

3.2.2 運行過程中土壤的密實沉降

無論是基礎周圍土壤自然沉降，還是壓縮機組振動引起的密實作用，通常情況下，周圍的沙土都會補充過來，從而在基礎周圍形成密度較高的土壤，吸收壓縮機組基礎的動能而減小振動。但是，基于第二天然氣處理廠壓縮機組基礎的施工，原有破碎后的砂巖碎屑粒度不均，壓實度低，周圍土壤也沒有物質補充，形成了單臺機組基礎之間的原有紅砂巖與基礎之間沒有密實的土壤，振動波不能有效傳導出去，甚至來回反射，從而不能很好地吸收壓縮機組基礎的動能，導致機體整體振動過大，機體的振動帶動了管線的振動，引發(fā)了共振。同時，壓縮機組進口土壤不夠密實，對管線的振動能也不能很好地吸收，或者說，當管線振動時，土壤對其束縛作用小，振動的范圍就大，容易引起共振發(fā)生。

3.3 壓縮機橇體構件振動分析

當壓縮機在設計轉速工況下運行時，洗滌罐入口管線、進氣緩沖罐、排氣緩沖罐等部位振動劇烈，振幅遠高于標準值。經(jīng)過檢測分析，洗滌罐入口管線劇烈振動是由于氣體脈沖產(chǎn)生的激振力所導致，特別是當洗滌罐地腳螺栓松動時會形成氣柱共振，從而加劇管線的振動。

進氣緩沖罐是壓縮機組振動最為強烈的部位，也容易產(chǎn)生進一步的事故。原因有兩個：一是壓縮缸內側支撐軟腳會造成壓縮缸部位的振動增大，由于進氣緩沖罐相對機組本體而言為懸臂梁結構，會放大壓縮缸帶來的振動，從而使緩沖罐接口處形成應力破壞；二是振動造成進氣緩沖罐的焊接應力和螺栓連接的安裝應力過大，從而具有疲勞破壞的風險。

排氣緩沖罐的振動是由氣缸的振動造成的。排氣緩沖罐為懸臂梁結構，會放大氣缸的振動。另外，壓縮機組的周期性排氣會引起排氣緩沖罐的脈沖振動[12]。

3.4 振動超標的系統(tǒng)性分析

結合振動能量、土壤情況及機組成橇情況綜合分析，由于單臺壓縮機組的振動能沒有充分被周圍土壤耗散和吸收，一方面導致單臺壓縮機組的振動過大，表現(xiàn)為成橇設備局部因振動開裂和支撐斷裂，另一方面導致管線共振。當多臺壓縮機組同時運行，由設備和基礎引起的工藝管線（尤其是進口管線）振動同時作用于匯管，帶動匯管振動。當匯管的振動頻率接近于金屬管道的固有頻率，再加之氣流脈動的影響，在三者的影響下，產(chǎn)生劇烈振動。

因此，若能夠將壓縮機組進口匯管1分為2、1分為3或改用環(huán)形供氣模式，將能夠打破現(xiàn)有共振模式，將6臺機組形成的系統(tǒng)縮小為每2～3臺機組形成一個系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 建議壓縮機入口匯管流程示意圖

4 振動消減優(yōu)化與檢測評估

4.1 設備基礎周邊土壤密實度試驗

基于前文的分析，經(jīng)過綜合分析判斷，結合已經(jīng)做過的工作（已經(jīng)對壓縮機本體的振動進行了增加支撐和緊固措施），更進一步作出判斷，要減小振動一是要減小壓縮機周圍土壤的密度差異，以利于能量釋放；二是對振動超標的管線要加強周圍土壤對其束縛。

這兩點都可以通過重新處理地基來達到目的，考慮到3號、4號天然氣壓縮機組振動較其他機組更大，且處于增壓站的中心位置，是6臺壓縮機組進口管道振動波傳導的疊加區(qū)域，也就是共振的最高點。故選擇對3號機組周圍的基礎進行開挖夯實試驗。通過在3號天然氣壓縮機組西側開挖一個尺寸為3 m（東西向）×7 m（南北向），深度為2 m的深坑并進行回填。每次回填40 cm厚度就夯實一次，且進行壓實使壓實系數(shù)大于等于0.95。

這樣通過3號機組西側基礎進行開挖并重新夯實，加快了能量在地層中傳播的廣度。同時，由于夯實的是3號機組進氣管線周圍的土壤，等于將其牢牢固定?。ㄟM氣管線被重新夯實的土牢牢固定?。?，管線的振動能量有利于向地層中釋放，打破了原來6臺壓縮機機組的共振模式，變成了2臺機組的共振和其他4臺機組的共振。

4.2 設備加固

根據(jù)現(xiàn)場對壓縮機組各構件的振動測量情況，先后在壓縮機組進氣緩沖罐、排氣緩沖罐底部、排氣緩沖罐管線底部、冷卻水管線等振動較劇烈的部位加裝固定支撐，并在加固設備上設置振動監(jiān)測點，測試加固前后的振動值，測試方向包括垂向和徑向，測試結果如圖6所示。由圖6可以看出，設備加固后各測試點垂直方向和徑向的振動值都出現(xiàn)了明顯的降低，設備本體振動得到了一定控制。

圖6 橇體構件加固前后振動值比較圖

4.3 氣流控制

為有效降低氣流脈動對天然氣壓縮機組的影響，在6臺天然氣壓縮機組進口管線上各增加了一臺截止閥。壓縮機組裝置區(qū)來的天然氣通過截止閥的閥體腔室，氣流重新被調整，從而使壓縮機組進口管線的固有頻率發(fā)生改變，可以有效避免共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4.4 啟機程序優(yōu)化

原啟機程序在發(fā)動機轉速達到750 r/min時，壓縮機組橇內直徑為400 mm的進口閥門將會打開，此時進口管線壓力約為2.2 MPa的天然氣會瞬間進入0.5 MPa壓力的壓縮機組橇內，這樣便會在進氣管線內形成很大的氣體沖擊力，進而造成進氣洗滌罐內捕霧網(wǎng)、排污管等斷裂或損壞。為了改變這種情況，在壓縮機組橇內直徑為400 mm進口閥門打開之前，通過開啟天然氣壓縮機組橇內的直徑為40 mm吹掃閥對壓縮機增壓。當壓縮機橇內壓力增至1.85 MPa時，再打開進口閥門。這樣可以有效地降低由于氣體沖擊造成的安全隱患。

4.5 振動治理綜合效果

經(jīng)過連續(xù)幾年的不斷治理，第二天然氣處理廠壓縮機組振動值穩(wěn)定保持在范圍之內，隱患已經(jīng)基本消除。

治理前后壓縮機組振動值的對比如圖7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過治理后第二處理廠各機組振動值相比治理前均呈下降趨勢，均降到了標準值以下。在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中也可以發(fā)現(xiàn)管架上已經(jīng)無鳴叫聲，3號、4號壓縮機組進口管線埋地處無明顯強振，各類故障率均明顯降低，各機組運行效率得到提升。

圖7 治理前后壓縮機組振動值對比圖

5 結論

1）要重視壓縮機組基礎地基處理和廠內工藝管線的土壤回填工作，按照有利于能量散失和對基礎及工藝管線加強束縛的原則，保證壓實度。具體到第二天然氣處理廠的情況，每個基礎和工藝管線周邊的土壤，要保證壓實度，越接近原地層的硬度，越利于釋放能量和對管線的束縛。

2）成組的壓縮機布置，要考慮工藝管線對振動的傳遞和聚集作用，易引起壓縮機組和工藝管線的系統(tǒng)性共振，在設計工藝管線時要考慮防振問題。

3）從經(jīng)濟和安全的角度考慮，振動超標的治理可以循序漸進。

4）一旦振動超標，對局部的防振措施也必不可少，比如合理增加支承和改變支承結構，在壓縮機組管道系統(tǒng)適當位置加裝孔板，調整壓縮機運行工況等。

5）蘇里格氣田這樣成組的多臺大型壓縮機，振動超標問題普遍存在。按照第二天然氣處理廠的振動治理經(jīng)驗，壓縮機組的振動可以進一步消減。