天然气压缩机组管系的支吊架优化分析

冯志阳(中国船级社质量认证公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

1 概述

某压气站压缩机进出口管道与汇管三通连接处出现五处裂纹，其中一处裂纹发生预留压缩机进口管道切断阀前袖管直焊缝处。在实际现场勘察中发现，该压缩机进出口管道防振管卡的固定螺栓脱离基础顶面，对管道约束功能下降，压缩机管嘴荷载将大幅增大，机组振幅与振动烈度将增大，影响机组的正常使用寿命。切断阀所支撑的混凝土基础西南角缺损，同时阀体支架向西滑动约200 mm，原应力计算模型的计算位移与实际存在较大偏差。

2 应力分析

2.1 计算工况和参数

按照 ASME B31.3的要求，从如下三个方面对管道设计进行校核：

(1)持续载荷工况(SUS)。该工况考虑重力和压力影响下管道产生的应力是否满足要求，按照B31.3中一次应力的基准校核。

(2)热膨胀工况(EXP)。该工况考虑温度对管道的热膨胀影响所产生的应力是否满足要求，按照B31.3中二次应力的基准校核。

(3)操作工况(OPE)。该工况主要考虑压缩机进出管口载荷是否超出标准要求，按照API-617中离心压缩机管口载荷的校核方法，根据压缩机厂家进出口管道管嘴荷载要求进行校核。

2.2 计算模型

按照竣工图，并结合压缩机配管应力分析工程实际经验建立CAESARⅡ模型，如图1所示。

图1 压缩机进口管系三维模型细节图

2.3 计算和分析结论

2.3.1 计算过程

ASME B31.3中一次应力校核准则为：由重力和其他持续荷载在管道中产生的纵向应力之和SL不得超过热应力状态Sh，即：

ASME B31.3中的二次应力校核标准为：由热膨胀及端点位移等因素引起的位移应力范围SE不的超过许用值SA，即：

式中：Sc为冷态许用应力；f为在预计寿命内，考虑总循环次数影响的许用应力范围减小系数。

当Sh大于SL，他们之间的差值可以加到上式中的Sh上，许用应里范围SA成为：

在ASME B31.3中，二次应力范围SE是忽略轴向应力作用情况下的最大剪应力理论的当量应力，即：

式中：Sb为管道在热膨胀、冷缩及端点位移等作用下合成弯矩引起的应力；St为管道在热膨胀、冷缩及端点位移等作用下的扭矩引起的应力。

ASME B31.3要求在计算第二次应力范围SE时考虑管道在几何不连续处产生的应力集中，其方法是乘上一个应力增大系数，而不是进行局部的详细分析。

上式就是ASME B31.3管道的二次应力校核条件式。

同时根据API 617 附录F的规定，需从以下方面对压缩机管口的载荷进行校核，并需同时满足：(1)压缩机中心点的独立载荷分量必须符合规范要求；(2)吸气口和排气口的合成力和合成力矩须单独校核并符合要求；(3)吸气口和排气口基于压缩机中心点的综合力和弯矩必须符合要求。

2.3.2 分析结论

(1)现有管道设计在SUS工况和EXP工况下的应力均符合标准要求；(2)现有管道设计在OPE工况下的管口载荷过大，严重超出标准要求；(3)依据压缩机管口校核计算结果分析，压缩机进出口管线没有轴向限位约束，导致压缩机管口载荷过大，需优化压缩机管口附近支架，降低管口载荷；(4)从静力分析支架荷载来看，压缩机的进口管道的电动球阀下的支架均脱空，而实际现场均未脱空，而与其相连的汇管三通次应力均在标准范围内，可推断汇管三通母管发生过沉降，而实际电动球阀仍有效支撑，汇管三通一次应力减小。

3 压缩机关系支吊架优化分析

通过对现有管线系统分析发现，目前管口载荷过大的主要原因是压缩机进出口管道柔性不够，无法吸收管道因热膨胀产生的应力[1]，因此主要通过改变进出口管线的约束条件、增加弹簧支撑等增加管道柔性的方式来进行优化，优化的原则为尽量采用最少的弹簧数目达到最佳的优化效果，分析中采用最不利工况参数进行计算。

3.1 弹簧支撑选型

从成本控制的角度考虑，优先使用可变弹簧，当单一可变弹簧无法满足要求时根可变弹簧，当两根可变弹簧无法满足时采用恒力弹簧；压缩机进出管口支撑如采用可变弹簧，弹簧的载荷变化率不应大于10%。基于标准NB/T 47039—2013《可变弹簧吊架》进行选型，考虑到管沟内管线底部空间有此管沟内弹簧采用C型弹簧。

3.2 安装初始偏移量分析

综合考虑SY/T 411—2007《天然气压缩机(组)安装工程施工技术规范》、ASME B31.3及API686的相关要求，选定安装初始偏移量为：法兰同心度(错边量)3 m，法兰端面张口偏差(平行度)最大3 m。通过压缩机刚性件模拟模型算得进出管口操作工况下的偏移量为：吸气口：X=0.24 m，其余为0，排气口：x=0.964 m，其余为0。

去掉压缩机刚性件，在管口加入上述偏移量作为D，将安装初始偏移量作为D。

弹簧支撑为柔性支撑，为保证系统安装的稳定性，在实际操作中如安装偏差在标准要求内(3 mm以内)，可参照对应的安装载荷调整簧刻度将偏差尽量消除，以实现无应力安装，然后根据实际弹簧的安装载荷重新校核管道。根据计算结果初始安装偏差较大(均大于3 mm)，会影响管口对中，为保证系统运行的稳定性，避免管道振动，进出口管道采用固定支撑，通过限位支架的方式来防止增压机管道失稳现象发生[2]。

4 结论

(1)通过计算分析，建议采用在出口弯管处增加止推支架的方最终改造方案。所增加止推支架的材质、规格等参数可经过进一步分析确定。根据工程经验，建议止推支架前后端均安装螺母。

(2)建议实际操作中，安装偏差首先应控制在标准要求的3 mm范围内，且可参照弹簧对应的载荷调整弹簧刻度将偏差尽量消除；如3 m偏差难以满足，为保证管路运行的稳定性，偏差不应超过6.5 mm在此范围内可参照弹簧对应的安装载荷适当调整弹簧刻度将偏差尽小；不允许安装偏差等于或超过10 mm，如出现该情况，建议考虑重新进行管路无应力安其他手段降低安装偏差。

(3)弹簧支架的最大允许变形量建议按如下要求执行：压缩机进口管沟内支架最大的允许变形量为17.23 mm，压缩机进口处弹簧支架最大的允许变形6.18 mm，压缩机出口处弹簧支架最大的允许变形量为5.97 mm，压缩机出口管沟内弹簧支架最大的允许变形量为17.95 mm。

(4)为确保管路系统运行的安全，日常弹簧检查时应确认弹簧载荷在如下范围以：内机进口管沟内弹簧为45.833～71.140 kN，压缩机进口处弹簧为46.690～56.499 kN，压缩机出口处弹簧为34.479～41.720 kN，压缩机出口管沟内弹簧为47.726～74.571 kN。

(5)项目运行4 000 h后脱开管卡进行复检确定管口及各支撑处的变形量，根据最新的运行状态对管路应力、管口载荷、弹簧以及支掉/止推结构进行评价。

(6)埋地管道不可避免出现不均匀沉降问题，尤其是重量非常大的阀组和大口径长管道，主管的沉降量明显大于分支管，建议分支管的支架与主管的支架共用一个基础，具有相同的沉降量，这将有效避免出现不均匀沉降，减轻因不均匀沉降产生应力集中问题。主管与分支管不在同一基础时，当主管沉降后及时通过调松分支管的可调螺母解决分支管与主管间的应力集中问题。