天然氣發(fā)動機排煙管線的振動原因與改造

孫云波

(海洋石油工程股份有限公司)

天然氣發(fā)動機排煙管線的振動原因與改造

孫云波*

(海洋石油工程股份有限公司)

某海上石油平臺天然氣壓縮機、發(fā)動機排煙管線振動，導(dǎo)致管線彎頭出現(xiàn)疲勞斷裂，噪音和振動加劇，嚴重影響了海上石油平臺的安全運行。對出口管線振動的原因進行了分析，并對管線設(shè)計和施工進行了優(yōu)化，確保了天然氣發(fā)動機和壓縮機正常平穩(wěn)運行。

天然氣發(fā)動機管線振動疲勞斷裂壓縮機彎頭法蘭

隨著海上油田開發(fā)的不斷深入，原油生產(chǎn)中的伴生氣也逐漸被利用，在為平臺壓縮機提供能源動力的同時，還可進行壓縮外輸。由于天然氣發(fā)動機及壓縮機的振動特性，以及海上平臺鋼結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)備振動和流體脈動、沖擊，都會對橇塊內(nèi)進出口管線產(chǎn)生影響，造成疲勞斷裂、噪音、氣體泄漏等風(fēng)險。本文根據(jù)渤海某平臺上卡特彼勒天然氣發(fā)動機出口排煙管線的斷裂原因分析，提出了優(yōu)化改進措施和解決振動問題的方法。

1 項目概況

渤海某BOP平臺有天然氣壓縮機共3臺，采用卡特彼勒G3608LE和Ariel JGC/4-3機組。在運行過程中，排煙管線一直受到氣流脈動、高溫、振動等因素影響，存在較為嚴重的振動問題。機組投運1年后，原配的排煙管多處斷裂。后按照原設(shè)計采取了更換新管線、增加壁厚和加設(shè)固定支架等措施。但運行3個月后，再次出現(xiàn)裂紋，接頭損壞。

2 疲勞斷裂的故障檢測與分析

2.1 現(xiàn)場檢測

發(fā)動機尾氣由渦輪增壓器出口排放，出口溫度高。排煙管線使用不銹鋼材料，出口處連接不銹鋼膨脹節(jié)、波紋管，管線在軸向具有一定的溫度變形補償和振動補償能力。撬塊排煙系統(tǒng)末端為JC-20型緩沖消音器。

現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)：管線振動劇烈，出口彎頭中心均出現(xiàn)裂紋、斷裂，斷裂面呈明顯的疲勞斷裂狀；管線出口波紋管、膨脹節(jié)均出現(xiàn)裂紋損傷。

圖1 天然氣壓縮機

2.2 故障原因分析

卡特彼勒G3608天然氣發(fā)動機，直列8缸、4沖程、渦輪增壓，2370 bhp，轉(zhuǎn)速為1000 r/min。

發(fā)動機的工作特點為排氣呈間歇性和周期性變化。在排氣閥打開瞬間，排氣以一定的壓力急劇沖入排氣管，管內(nèi)氣體呈脈動狀態(tài)。脈動的氣流沿管道輸送，遇到彎頭和異徑管時產(chǎn)生激烈的壓力脈沖。此外，排氣還產(chǎn)生自振和渦流，引起相應(yīng)的振動、激振力。受此激振力作用，管道系統(tǒng)便產(chǎn)生一定的機械振動響應(yīng)，氣流脈動越強，管道振動的位移峰值就最大。

壓力脈動的大小由壓力不均勻度δ來度量：

δ=（pmax-pmin）/p0

式中pmax——不均勻壓力的最大值，MPa；

pmin——不均勻壓力的最小值，MPa；

p0——平均壓力，p0=（pmax-pmin）/2，MPa。

管道振動的第二個原因是共振。由于海上石油平臺均由鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，各類機械設(shè)備的自身振動很易傳遞。當各類設(shè)備激發(fā)頻率與管道固有頻率相同時，就能產(chǎn)生共振，共振對管線的影響極大。一般在平臺設(shè)計之初，就要對設(shè)備、管線振動頻率進行核算，通過改變支架位置和數(shù)量的方法，改變管線固有頻率，以免發(fā)生共振。但是海上石油平臺在建造投產(chǎn)后，常會有一些升級改造工作，屆時如果不注意這些影響，就會產(chǎn)生這類振動或共振問題。

檢查發(fā)現(xiàn)，管線設(shè)計和施工還存在如下問題：

(1)彎頭彎曲半徑過小。排煙管線出口彎頭處，廠家采用直角彎頭，導(dǎo)致氣體急劇換向。

(2)支撐剛度不足。原支撐較高，且有懸空，未落地生根，因此剛度不足。

(3)管線連接形式不當。原連接為卡箍形式，管口外側(cè)焊接窄邊鋼帶，利用卡箍夾緊兩鋼帶固定。強度較低，不易鎖緊，容易產(chǎn)生松動，而且鋼帶焊接處長時間振動易斷裂。

(4)消聲器進口法蘭與發(fā)動機排煙出口不在同一中心線上。排煙管線安裝完成后，管線偏轉(zhuǎn)，存在應(yīng)力集中。

3 防振設(shè)計和施工改進措施

(1)出口法蘭處加孔板。排煙口法蘭處加孔板是消除管道氣流脈動以及管道振動的有效措施?？装蹇讖奖冉?jīng)驗式為

式中，d為孔板內(nèi)徑，D為管道內(nèi)徑，h為孔板厚度?？装宓牟馁|(zhì)與管道材質(zhì)相同，孔板內(nèi)徑邊緣處保留銳利棱角。

(2)改進管卡結(jié)構(gòu)。合理地設(shè)計管卡結(jié)構(gòu)，能夠減小管道的振動。采用防振管卡，增大管卡與管道之間的接觸面積，使管卡能夠卡緊。管卡與管道之間襯以3 mm厚石棉橡膠墊，限制管道的位移，以減小排煙管線的振動。

(3)在波形補償器后安裝356 mm×508 mm異徑管，后續(xù)排煙管線管徑由356 mm改為508 mm。

(4)增大彎頭彎曲半徑，減少排氣流動阻力，具體如圖2所示。

圖2 出口異徑管及彎頭改造

(5)加強支撐剛度，采用門式支架。在水平熱補償器處增加支撐，并在管卡和管道之間襯石棉橡膠墊。在管線安裝時，調(diào)整法蘭、管道中心線使之一致，不得強力安裝或扭轉(zhuǎn)安裝。

4 效果評價

經(jīng)過這次改造后，三臺發(fā)動機排煙管線均取得了明顯的減振效果，排氣噪音得到有效降低。這次改造對設(shè)備的運行無影響，保障了海洋石油平臺的安全運行。

Vibration Cause and Reconstruction of Exhaust Gas Pipeline of Natural Gas Engine

Sun Yunbo

The exhaust pipes vibrations of the natural gas compressor and engine of an offshore oil platform resulted in the fatigue fracture of pipeline elbows,and the intensified noise and vibrations seriously affected the safe operation of the offshore oil platform.The vibration reasons of outlet pipelines were analyzed,and the design and construction of pipelines were optimized to ensure the normal operation of nature gas engine and compressor.

Nature gas engine；Pipe line；Vibration；Fatigue fracture；Compressor；Elbow；Flange

TQ 055.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.12.008

2016-03-04）

*孫云波，男，1985年生，工程師。天津市，300452。