簡述高壓聚乙烯裝置壓縮機(jī)管道支架設(shè)計(jì)

＊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(chǎn)品為低密度聚乙烯（LDPE），其具有較小的密度，良好的柔韌性，優(yōu)良的耐低溫性和化學(xué)穩(wěn)定性，產(chǎn)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(lǐng)域。顧名思義，裝置的一大特點(diǎn)為反應(yīng)壓力高（100MPa～300MPa），為此裝置中配置了兩臺往復(fù)式壓縮機(jī)（一次機(jī)和二次機(jī)）來給反應(yīng)物料增壓，壓縮機(jī)一旦出現(xiàn)狀況將影響到整個裝置的正常運(yùn)行。在配管設(shè)計(jì)中，又由于往復(fù)式壓縮機(jī)管道會有振動的特性，因此就整個裝置而言，兩臺壓縮機(jī)及其管道設(shè)計(jì)是核心和關(guān)鍵部分。本文闡述在高壓聚乙烯裝置中因壓縮機(jī)布置的不同而引起的管道設(shè)計(jì)的一系列不同，并探討一些設(shè)計(jì)思路和解決方案。

1.壓縮機(jī)布置

(1)壓縮機(jī)機(jī)組的分散布置

通常往復(fù)式壓縮機(jī)組包括壓縮機(jī)本身、輔助油系統(tǒng)、中間冷卻器和中間分離罐。為了減少管道內(nèi)的壓力降，為了減少管道振動，為了讓輔助油撬塊中的泵揚(yáng)程降低等，壓縮機(jī)本體與其他設(shè)備之間的距離不應(yīng)太大，如圖1中就是一個典型的往復(fù)式壓縮機(jī)布置，所以級間的換熱器、分離器等都靠近壓縮機(jī)本體布置，輔助油系統(tǒng)也是如此?？稍诟邏壕垡蚁┭b置中，無論是一次機(jī)和二次機(jī)其級間設(shè)備還是輔助油系統(tǒng)，都布置在壓縮機(jī)廠房以外，甚至和壓縮機(jī)廠房中間還隔了一條管廊。

壓縮機(jī)這樣布置的原因主要有兩個：首先是考慮到安全因素，因?yàn)檫@兩臺壓縮機(jī)的壓力很高，尤其是二次機(jī)，能達(dá)到300MPa，而壓縮機(jī)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(shè)備布置在廠房內(nèi)，對這些設(shè)備本身是一個危險。更重要的是由于設(shè)備的集中布置，會間接導(dǎo)致那里的人員出現(xiàn)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(jī)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(jī)廠房內(nèi)，本身也不太現(xiàn)實(shí)。

圖1 典型往復(fù)式壓縮機(jī)布置

(2)分散布置帶來的影響

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

2.壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)

對于往復(fù)式壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)，其核心內(nèi)容就是減小級間管道的振動頻率和幅度，避免共振的產(chǎn)生，而這些都與壓縮機(jī)脈動分析密不可分。管道的走向布置其實(shí)是與管道支架布置息息相關(guān)，所以振動管道的核心設(shè)計(jì)就是合理設(shè)置管道減振支架。對于高壓聚乙烯裝置中的這兩臺壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)也是如此，只是高壓裝置的一些特點(diǎn)，導(dǎo)致管道的設(shè)計(jì)會有所不同。

(1)脈動分析的范圍

通常對于一般壓縮機(jī)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(jī)制造商對被視為脈動分析起始點(diǎn)的緩沖罐體積有要求，而裝置中一次機(jī)進(jìn)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(kuò)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(jì)算入內(nèi)，才能滿足要求。

對于二次機(jī)來說，其根本就不存在緩沖罐，其上游需計(jì)算到一次機(jī)出口，下游需計(jì)算到反應(yīng)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(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致振動管道遍布框架和管廊，為管道減振支架的設(shè)置帶來了困難。

(2)減振支架的設(shè)置

對于往復(fù)式壓縮機(jī)管道支架的設(shè)置，在所有的指導(dǎo)書或者規(guī)范中強(qiáng)調(diào)的無非兩點(diǎn)：①宜布置在自地下生根的管墩上[1]；②管道支架與壓縮機(jī)基礎(chǔ)和建構(gòu)筑物脫開[2]。這對于一般壓縮機(jī)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(jī)組分散布置，分析范圍較大等原因，以上兩點(diǎn)均不能做到。對此，從脈動分析本身出發(fā)，通過分析其本質(zhì)要求或目的，來使管道支架的設(shè)置合理化，而不是教條的解讀規(guī)范或指導(dǎo)書上的條條框框，這才是一個比較科學(xué)的方法。

①支架剛度需求

沿地面敷設(shè)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(jù)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(jì)算公式為：

式中：Cks為支撐剛度單位決定的常數(shù)（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(nèi)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(shù)[3]。

在普通壓縮機(jī)管道設(shè)計(jì)時，由于壓縮機(jī)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(jī)，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(shè)計(jì)支架時都要考慮其剛度。因此，在設(shè)計(jì)支架之前，可以讓壓縮機(jī)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(shè)計(jì)有據(jù)可行。

表1 支架最小剛度要求

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般生根于地面和生根于地面但高度有限的支架經(jīng)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(jié)構(gòu)要好，因此在考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的情況下，混凝土的基礎(chǔ)應(yīng)適當(dāng)抬高，減少鋼結(jié)構(gòu)的長度從而增加剛度。B.針對鋼結(jié)構(gòu)做補(bǔ)強(qiáng)措施，如增加斜撐、筋板，甚至鋼結(jié)構(gòu)用方剛或者圓鋼，在里面灌注混凝土的方式來增強(qiáng)剛度（圖2）。

圖2 高壓管道支架設(shè)計(jì)

但布置在管廊和框架上管道，由于管廊和框架的自身結(jié)構(gòu)剛度有限，要達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)的要求有些不切實(shí)際。極端情況下，管廊和框架的鋼梁由于環(huán)境溫度的變化，其自身熱脹冷縮導(dǎo)致的位移就不止1mm，要達(dá)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(jié)構(gòu)一起模擬進(jìn)入計(jì)算模型，作為一個整體考慮，對具體支架進(jìn)行具體分析，模型直接給出結(jié)構(gòu)的修改意見，這樣往往切合實(shí)際，也容易實(shí)現(xiàn)（圖3）。

圖3 模型計(jì)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(xì)的管道支架結(jié)構(gòu)圖紙，僅需知道支架形式，且在計(jì)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(jié)構(gòu)的圖紙，且計(jì)算完成后，所有輸入條件都不能修改，這對于設(shè)計(jì)來說是個不小的挑戰(zhàn)，并且計(jì)算模型輸入周期長。對于如何選擇這兩種方式，應(yīng)該分開要求，不能單選一種，對于敷設(shè)在地面，能滿足剛度要求的應(yīng)采取第一種；對于無法實(shí)現(xiàn)的且生根結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的應(yīng)考慮第二種方式。

②管道支架基礎(chǔ)獨(dú)立

振動管道支架不宜與壓縮機(jī)基礎(chǔ)連接。振動管道支架與壓縮機(jī)本體共用基礎(chǔ)，則兩者通過基礎(chǔ)相互影響，導(dǎo)致相互的固有頻率改變，脈動分析的準(zhǔn)確性受到影響，且有可能發(fā)生兩者之間的共振。

圖4 二次機(jī)進(jìn)出口支架布置

對于高壓聚乙烯裝置中，特別是二次機(jī)，由于其振動頻率和振幅較大，需要密集地設(shè)置減振支架，其壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的第一和第二各支架分別設(shè)置在壓縮機(jī)平臺和基礎(chǔ)上，看似非常不符合常規(guī)（圖4），但仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)這樣設(shè)計(jì)也是有所根據(jù)的，首先關(guān)于壓縮機(jī)和管道固有頻率的相互影響，由于二次機(jī)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(fā)生共振。其次，管道支架共用一個基礎(chǔ)，可以通過將支架輸入計(jì)算模型的方式，既能計(jì)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(zhǔn)確性。因此，如此設(shè)計(jì)雖然不符合常規(guī)但也絕對安全可靠。

(2)減振支架的結(jié)構(gòu)

對于振動管道的設(shè)計(jì)，最難的一點(diǎn)就是如何兼顧管道的靜態(tài)熱應(yīng)力和動態(tài)脈動力。因?yàn)閮烧呤窍嗷ッ艿?，前者希望管道柔性越好，靜應(yīng)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(yuǎn)離激發(fā)頻率共振區(qū)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(jié)構(gòu)，攻克了這一難關(guān)。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(tài)力，通過一次支架和二次支架之間連接結(jié)構(gòu)的來抵消靜應(yīng)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(yù)緊螺栓或者彈簧產(chǎn)生的預(yù)緊力，預(yù)緊力通過管夾給管道施壓，從而產(chǎn)生管道與管夾之間的摩擦力。換而言之，根據(jù)管道動態(tài)力的大小，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺栓或者彈簧來控制摩擦力的大小，使其能抵消動態(tài)力。

而且由于通常動態(tài)力很?。◣装俟铮艿赖撵o應(yīng)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(yīng)力分析完畢的管道上增加減振支架，不會對應(yīng)力分析有影響。但有一個例外，就是當(dāng)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(dāng)遇到來自管道向上的位移，導(dǎo)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(tài)力。

至于靜應(yīng)力，則通過一次支架和二次支架之間連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。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(yīng)力的分析，因此在管道布置時，應(yīng)該先考慮如何通過靜應(yīng)力分析，根據(jù)靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果設(shè)置支架，避免垂直向上熱位移的支架點(diǎn)出現(xiàn)，而不用考慮減振支架給應(yīng)力帶來的影響，只需考慮支架之間設(shè)置在減振支架的空間，最后按脈動分析的結(jié)果增加減振支架。

3.總結(jié)

高壓聚乙烯裝置中的往復(fù)式壓縮機(jī)，其壓縮機(jī)管道的設(shè)計(jì)中確實(shí)有一些特殊之處。但歸納起來無非是應(yīng)從支架生根的剛度出發(fā)，選擇合適的脈動分析的方式，不拘泥于規(guī)范，先考慮管道靜應(yīng)力，在其基礎(chǔ)上結(jié)合脈動分析包括，設(shè)置減振支架，最后再補(bǔ)齊脈動分析中遺漏的部分。