【壓縮機(jī)網(wǎng)】1.引言
對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)組進(jìn)行API 618分析設(shè)計(jì)已成為業(yè)界共識(shí)。目前廣泛應(yīng)用的API 618第五版標(biāo)準(zhǔn)提供了三種設(shè)計(jì)方法，即方法1、方法2和方法3，以控制壓縮機(jī)組的氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)。其中方法1是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)緩沖罐尺寸。方法2是對(duì)機(jī)組系統(tǒng)建立氣流脈動(dòng)分析模型進(jìn)行分析，計(jì)算得到壓力脈動(dòng)、壓降和脈動(dòng)不平衡力等值，從而確定脈動(dòng)控制措施。同時(shí)，也對(duì)管道、容器支撐設(shè)計(jì)進(jìn)行審核，避免管道系統(tǒng)的共振。方法3是在方法2的基礎(chǔ)上，增加壓縮機(jī)系統(tǒng)（包括脈動(dòng)控制裝置）和管道系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)和力響應(yīng)分析。三種方法的適用范圍，由機(jī)組的排氣絕對(duì)壓力和每個(gè)氣缸的額定功率確定，如表1所示。
方法3代表了API 618第五版分析設(shè)計(jì)的z*高要求。因而，正確理解和完整掌握API 618第五版方法3對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)組的成撬設(shè)計(jì)和安全使用十分重要。
2.API 618 第五版方法3介紹
2.1 方法3簡(jiǎn)介
API 618第五版方法3包括氣流脈動(dòng)分析、管道支撐約束分析以及機(jī)械分析（包括必要時(shí)的力響應(yīng)分析）。方法3是在方法2的基礎(chǔ)上，增加壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的機(jī)械分析（包括必要時(shí)的力響應(yīng)分析）所形成的。其目的是通過(guò)使用氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)控制分析相結(jié)合的方法，得到z*有效和z*經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
氣流脈動(dòng)分析是根據(jù)方法1中給出的經(jīng)驗(yàn)公式初步確定緩沖罐尺寸，然后建立氣流脈動(dòng)分析模型進(jìn)行分析，從而確定脈動(dòng)控制措施，即緩沖罐外部尺寸和內(nèi)部濾波管、阻板設(shè)計(jì)，孔板位置和尺寸設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)分析模型包括壓縮機(jī)部分和管道部分。其中壓縮機(jī)部分的模型一般包括活塞和閥門的運(yùn)動(dòng)性能、氣缸氣體通道以及脈動(dòng)控制裝置等，結(jié)束點(diǎn)為脈動(dòng)控制裝置如緩沖罐連接管道的管嘴法蘭。管道部分的模型包括連接管道以及級(jí)間冷卻器等。如果只對(duì)壓縮機(jī)部分的模型進(jìn)行氣流脈動(dòng)分析，則稱為“預(yù)分析”，也稱為“脈動(dòng)聲阻分析”或“緩沖罐檢查”。這種分析一般發(fā)生在還沒(méi)有完成管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但需要確定脈動(dòng)控制措施的情況下。如果管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，一般就不再進(jìn)行這種“預(yù)分析”，直接對(duì)系統(tǒng)全模型（包括壓縮機(jī)和管道部分）進(jìn)行分析即可。通過(guò)氣流脈動(dòng)分析可以確定脈動(dòng)控制措施，并檢查相應(yīng)的壓力脈動(dòng)、壓降和脈動(dòng)不平衡力等值是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如不滿足，則修改脈動(dòng)控制措施或系統(tǒng)設(shè)計(jì)，直到滿足要求為止。
管道支撐約束分析是在完成氣流脈動(dòng)分析后，對(duì)機(jī)組的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行審核，以及計(jì)算管道和容器部分的固有頻率。其目的是通過(guò)調(diào)整管道支撐間距，改變管道系統(tǒng)的固有頻率，從而避免發(fā)生機(jī)械共振。
機(jī)械分析是方法3在方法2（即上述的氣流脈動(dòng)分析和管道支撐約束分析）基礎(chǔ)上增加的部分。機(jī)械分析分為兩部分，即3a部分和3b（3b1、3b2）部分。3a部分就是計(jì)算壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率分析，以檢查系統(tǒng)的頻率避開(kāi)度，以及脈動(dòng)控制裝置中的脈動(dòng)不平衡力是否滿足要求。3b部分中的3b1是計(jì)算壓縮機(jī)及脈動(dòng)控制裝置部分的力響應(yīng)，3b2是計(jì)算管道系統(tǒng)的力響應(yīng)，以確定壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)是否滿足要求的振動(dòng)水平和循環(huán)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值。
如果力響應(yīng)分析結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，方法3分析即完成。否則，需要更改脈動(dòng)控制措施或系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重新分析，直到滿足要求為止。
2.1 方法3流程圖
完整的方法3流程圖如圖1所示。該圖是按照API 618第五版標(biāo)準(zhǔn)中的方法3流程圖翻譯過(guò)來(lái)的。其中條款7.9.3.2給出了使用API 618第五版方法1時(shí)，確定緩沖罐初步尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式。條款7.9.4.2.2給出了使用API 618第五版方法1確定緩沖罐初步尺寸時(shí)，系統(tǒng)需要滿足的管道壓力脈動(dòng)和z*大允許壓降要求。條款7.9.4.2.3.4給出了在沒(méi)有完成管道布置的情況下進(jìn)行氣流脈動(dòng)預(yù)分析時(shí)，管道系統(tǒng)允許的z*大壓力脈動(dòng)值。條款7.9.4.2.5.3.1c給出了進(jìn)行預(yù)分析時(shí)，管道系統(tǒng)允許的z*大壓降值。條款7.9.4.2.3.5給出了在已經(jīng)完成管道布置的情況下進(jìn)行完整的氣流脈動(dòng)分析時(shí)，系統(tǒng)需要滿足的要求條款或設(shè)計(jì)改進(jìn)。條款7.9.4.2.5.2.1給出了壓縮機(jī)氣缸法蘭處允許的z*大壓力脈動(dòng)值。條款7.9.4.2.5.2.2.2給出了壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣、中間級(jí)和z*終排氣管道系統(tǒng)允許的z*大壓力脈動(dòng)值。條款7.9.4.2.5.3.1給出了系統(tǒng)因使用脈動(dòng)控制措施而引起的z*大允許壓降值。條款7.9.4.2.5.2.3給出了經(jīng)雙方協(xié)商同意超過(guò)條款7.9.4.2.5.2規(guī)定的壓力脈動(dòng)允許值，但需要滿足的其它條款要求。條款7.9.4.2.5.3.1c給出了經(jīng)雙方協(xié)商同意超過(guò)條款7.9.4.2.5.3.1規(guī)定的壓降允許值，但需要滿足的其它條款要求。
條款7.9.4.2.4.2是API 618第五版方法3中重要的步驟3a，即計(jì)算壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率分析，以避開(kāi)與系統(tǒng)激振力的共振。同時(shí)給出了系統(tǒng)需要滿足的頻率避開(kāi)度和不平衡脈動(dòng)力允許值要求條款（即7.9.4.2.5.3.2和7.9.4.2.5.2.3條款）。條款7.9.4.2.5.3.2給出了壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的頻率避開(kāi)度要求，即系統(tǒng)z*小固有頻率應(yīng)高于機(jī)組z*高運(yùn)行轉(zhuǎn)速的2.4倍（就是我們常說(shuō)的2.4倍頻要求），以及如果2.4倍頻要求不能滿足或高階頻率處有大的激振力時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率與系統(tǒng)的激振力至少有20%的頻率避開(kāi)度。條款7.9.4.2.5.2.3.3給出了在非共振條件下，安裝在氣缸上的脈動(dòng)控制裝置（一般是緩沖罐）中的z*大允許脈動(dòng)不平衡力值。
條款7.9.4.2.4.3是API 618第五版方法3中重要的步驟3b1，即在脈動(dòng)控制裝置不能滿足系統(tǒng)固有頻率與激振力頻率避開(kāi)度，或脈動(dòng)不平衡力允許值要求的情況下，進(jìn)行壓縮機(jī)及脈動(dòng)控制裝置部分的力響應(yīng)分析，以滿足疲勞循環(huán)應(yīng)力允許值（即7.9.4.2.5.2.5條款要求）和壓縮機(jī)廠家提出的振動(dòng)水平允許值。條款7.9.4.2.5.2.5.1給出了允許的z*大循環(huán)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值。
條款7.9.4.2.4.4是API 618第五版方法3中重要的步驟3b2，即在管道系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)固有頻率與激振力頻率避開(kāi)度，或脈動(dòng)不平衡力允許值要求的情況下，進(jìn)行管道系統(tǒng)的力響應(yīng)分析，以滿足振動(dòng)水平和疲勞循環(huán)應(yīng)力允許值要求（分別按7.9.4.2.5.2.4 和7.9.4.2.5.2.5條款要求）。條款7.9.4.2.5.2.4給出了管道系統(tǒng)允許的振動(dòng)水平標(biāo)準(zhǔn)。條款7.9.4.2.5.2.5.1 給出了允許的z*大循環(huán)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值。
關(guān)于上述條款的更詳細(xì)內(nèi)容和解釋，可見(jiàn)API 618第五版標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 方法3與API 618第四版中M1-M7的相互關(guān)系
為便于說(shuō)明，將圖1中API 618方法3分解為6個(gè)部分，每個(gè)部分以圓圈內(nèi)的紅色數(shù)字表示。其中第1部分即為API 618的方法1，對(duì)應(yīng)第四版的M1分析。第2部分為預(yù)分析。第3部分為系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)分析，對(duì)應(yīng)第四版的M2和M3分析。第4部分為計(jì)算壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率，對(duì)應(yīng)第四版的M4和M5分析。第5部分為進(jìn)行壓縮機(jī)系統(tǒng)的力響應(yīng)分析，對(duì)應(yīng)第四版的M6分析。第6部分為進(jìn)行管道系統(tǒng)的力響應(yīng)分析，對(duì)應(yīng)第四版的M7的分析。第四版中M8-M11分析，在第五版中均有提及，但不是必須的強(qiáng)制分析內(nèi)容。
2.4 關(guān)于方法3的討論
API 618方法3第1至第3部分分析為氣流脈動(dòng)分析，自第4部分及以后為機(jī)械振動(dòng)分析。目前，對(duì)氣流脈動(dòng)分析部分，基本認(rèn)識(shí)和分析方法一致。但對(duì)機(jī)械振動(dòng)分析部分，則有不同認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致不同的分析思路和設(shè)計(jì)考慮。
2.4.1 在方法3中省略第5和第6部分的力響應(yīng)分析
從圖1可以看出，一個(gè)完整的方法3分析要經(jīng)過(guò)第1至第6部分所有的步驟。但在完成第4部分（即3a部分）分析后，如果滿足下面相關(guān)要求，可以不做3b（3b1、3b2）部分的力響應(yīng)分析，即省略第5和第6部分的力響應(yīng)分析。此時(shí)，方法3的分析簡(jiǎn)化成“方法2加第四版M5的分析”。
這些相關(guān)要求包括：（1）壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的z*小機(jī)械固有頻率分析，應(yīng)高于機(jī)組z*高運(yùn)行轉(zhuǎn)速的2.4倍。（2）如果2.4倍頻要求不能滿足或高階頻率處有大的激振力時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率與激振力至少有20%的頻率避開(kāi)度。（3）在所有非共振條件下，安裝在氣缸上的脈動(dòng)控制裝置中的z*大允許脈動(dòng)不平衡力滿足規(guī)定要求。
為了滿足上面3個(gè)條件，往往需要對(duì)機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)施加較多的機(jī)械支撐和約束，以提高系統(tǒng)的支撐剛度和頻率。但這樣做，在實(shí)際工程中容易出現(xiàn)一些困難。s*先，對(duì)管道系統(tǒng)、氣缸、進(jìn)氣緩沖罐和進(jìn)氣洗滌罐等施加較多的支撐，勢(shì)必對(duì)本來(lái)就有限的壓縮機(jī)撬空間提出更大挑戰(zhàn)，對(duì)海洋平臺(tái)上的機(jī)組尤為如此。其次，較多的支撐約束有時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道系統(tǒng)柔性下降、熱應(yīng)力過(guò)大，造成管夾崩壞、管嘴變形過(guò)大甚至破壞等新的問(wèn)題。此外，過(guò)度的支撐和約束設(shè)計(jì)也增加了機(jī)組建造成本，以及帶來(lái)維修上的不方便。
所以，盡管API 618方法3容許在滿足相關(guān)條件的情況下，省略第5和第6部分的力響應(yīng)分析，即進(jìn)行“方法2加第四版M5的分析”，但從機(jī)組的z*后設(shè)計(jì)效果來(lái)看，其是否為一個(gè)值得推薦的做法還有待商榷。當(dāng)然，如機(jī)組在初步設(shè)計(jì)時(shí)即自動(dòng)滿足上面3個(gè)條件，則方法3中的第5和第6部分的力響應(yīng)分析可省略不做，但這種情況在實(shí)際工程中一般較少出現(xiàn)。
2.4.2 在方法3中省略第4部分的壓縮機(jī)部分固有頻率分析和第5及第6部分的力響應(yīng)分析
這樣的分析實(shí)際上是API 618方法2分析，不是API 618方法3分析。也就是說(shuō)，在任何情況下，方法3必須包括壓縮機(jī)部分固有頻率分析（即第四版M5的分析）。沒(méi)有該部分的分析不能稱之為方法3分析。
2.4.3 機(jī)械連接部位的動(dòng)剛度對(duì)系統(tǒng)固有頻率計(jì)算結(jié)果的影響
在API 618方法3機(jī)械振動(dòng)分析中，計(jì)算結(jié)果的精度在很大程度上取決于機(jī)械連接部位（如壓縮機(jī)中體支撐剛度、洗滌罐與撬體梁表面連接剛度、緩沖罐管嘴與相聯(lián)管道的連接剛度等）動(dòng)剛度的準(zhǔn)確性。如果這些剛度值取得過(guò)大，計(jì)算得到的機(jī)組固有頻率就偏高，把實(shí)際不滿足“2.4倍頻”要求的頻率計(jì)算成滿足“2.4倍頻”要求的頻率，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)隱患。如果這些剛度值取得過(guò)小，計(jì)算的系統(tǒng)固有頻率就偏低，從而導(dǎo)致不必要的設(shè)計(jì)改進(jìn)。所以，如何確定這些關(guān)鍵部位的連接剛度，直接影響到了機(jī)組設(shè)計(jì)方案的好壞。這也是我們一直提倡并實(shí)施用有限元方法計(jì)算這些關(guān)鍵部位動(dòng)剛度的原因。
2.4.4 管道柔性和熱應(yīng)力分析
管道柔性和熱應(yīng)力分析不是API 618第五版方法3中要求的必需分析內(nèi)容，但實(shí)際上越來(lái)越成為機(jī)組成撬設(shè)計(jì)和安全使用中的一個(gè)重要部分。這不僅是因?yàn)橐话阈枰峁┕艿涝谇诉吔唤狱c(diǎn)的力和力矩值，以實(shí)現(xiàn)與撬外管道的安全連接，而該值需要通過(guò)管道柔性和熱應(yīng)力分析才能得到。更重要的是，撬內(nèi)管道的柔性和熱應(yīng)力狀態(tài)同樣也會(huì)影響機(jī)組的安全運(yùn)行。管道布置柔性不好和熱應(yīng)力過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞管道支撐，引起機(jī)組系統(tǒng)機(jī)械固有頻率的改變以及機(jī)組振動(dòng)，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致容器、設(shè)備管嘴連接部位變形過(guò)大甚至破壞管嘴連接。所以，目前越來(lái)越多的壓縮機(jī)組成撬廠家和z*終用戶開(kāi)始要求進(jìn)行該部分的分析工作，從而達(dá)到控制振動(dòng)和熱應(yīng)力的雙重目標(biāo)，以確保機(jī)組系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
3.API 618方法3分析實(shí)例
以某注氣壓縮機(jī)組為例，說(shuō)明如何進(jìn)行完整的API 618 方法3分析。該壓縮機(jī)組的總體布置設(shè)計(jì)如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如下：
型式：臥式雙列三級(jí)雙作用
功率：1800 kW
排量：35-40萬(wàn)方/天（天然氣）
進(jìn)氣壓力：1.45 MPa
排氣壓力：28 MPa
氣缸直徑：一級(jí)φ245mm；二級(jí)φ180mm；三級(jí)φ135mm
活塞行程：139.7
壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速：990轉(zhuǎn)/分
3.1 氣流脈動(dòng)分析即第1至第3部分分析
API 618方法3分析的第一步是建立機(jī)組系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)分析模型，通過(guò)分析確定緩沖罐尺寸等脈動(dòng)控制措施，并檢查壓力脈動(dòng)、壓降和脈動(dòng)不平衡力等是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該分析工作復(fù)蓋了方法3流程圖中所示的第1至第3部分。作為示例，圖3顯示了該機(jī)組一級(jí)進(jìn)氣系統(tǒng)的脈動(dòng)分析模型及壓力脈動(dòng)分析結(jié)果。機(jī)組中間級(jí)及z*后級(jí)也建立同樣的分析模型進(jìn)行分析。
3.2 機(jī)械振動(dòng)分析部分（3a部分）- 固有頻率計(jì)算
機(jī)械分析工作的第一步是建立機(jī)組系統(tǒng)的分析模型，計(jì)算壓縮機(jī)集氣室部分（包括中體、氣缸、進(jìn)氣和排氣緩沖罐、洗滌罐等）和管道系統(tǒng)的固有頻率，并將其與機(jī)組運(yùn)行速度相對(duì)應(yīng)的激振頻率進(jìn)行比較。需要注意的是，固有頻率計(jì)算不是只對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行，還包括壓縮機(jī)集氣室部分，因?yàn)樵摬糠謟*低固有頻率在一般情況下都是低于2.4倍壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的。作為示例，圖4顯示了機(jī)組系統(tǒng)的第一階固有頻率和振型（主要變形發(fā)生在分離器-進(jìn)氣緩沖罐段），其固有頻率為系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的2倍。圖5所示的分析結(jié)果表明，z*低系統(tǒng)頻率并不在2.4倍壓縮機(jī)運(yùn)行頻率之上，其它頻率也沒(méi)有完全避開(kāi)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的倍頻數(shù)范圍，因而力響應(yīng)分析（3b部分）需要被執(zhí)行。
3.3 機(jī)械振動(dòng)分析部分（3b部分）-力響應(yīng)分析
在機(jī)械振動(dòng)分析部分的力響應(yīng)分析中，壓縮機(jī)集氣室系統(tǒng)的激振力為氣流脈動(dòng)引起的不平衡力和氣缸內(nèi)的氣體力，管道系統(tǒng)的激振力為氣流脈動(dòng)引起的不平衡力。把上述激振力施加到系統(tǒng)模型上，通過(guò)強(qiáng)迫振動(dòng)分析，計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（位移、加速度和動(dòng)應(yīng)力）。作為示例，圖6顯示了計(jì)算得到的機(jī)組動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)。
3.4 機(jī)組系統(tǒng)的熱應(yīng)力分析
對(duì)由壓力、重力和溫度熱膨脹載荷引起的管道應(yīng)力和設(shè)備管嘴載荷進(jìn)行分析計(jì)算，以確認(rèn)機(jī)組在滿足振動(dòng)控制的前提下，同時(shí)滿足ASME B31.3管道柔性和熱應(yīng)力要求，以及設(shè)備管嘴載荷滿足廠家規(guī)定的z*大值要求。作為示例，圖7顯示了機(jī)組系統(tǒng)的熱應(yīng)力分析結(jié)果。
以上分析包括了API 618方法3的全部分析內(nèi)容。從而保證了機(jī)組的設(shè)計(jì)滿足壓力脈動(dòng)、壓降、脈動(dòng)不平衡力、管道柔性和熱應(yīng)力、以及設(shè)備管嘴載荷等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
4.結(jié)論
本文詳細(xì)介紹了API 618第五版方法3分析的完整內(nèi)容，并以項(xiàng)目實(shí)例說(shuō)明了對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)組進(jìn)行API 618第五版方法3分析，避免機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題的一般過(guò)程。同時(shí)討論了API 618第五版方法3與第四版M2-M7分析之間的關(guān)系，以及在進(jìn)行方法3分析中需要關(guān)注的動(dòng)剛度計(jì)算等重點(diǎn)。為往復(fù)式壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)和使用人員，正確理解和應(yīng)用API 618第五版方法3提供了技術(shù)參考依據(jù)。
作者簡(jiǎn)介：
徐宜桂，博士，注冊(cè)工程師，加拿大中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司，http://www.zcppe.com, E-mail: jason.xu@zcppe.com
孫成憲，博士，注冊(cè)工程師，加拿大中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司
盧福志，博士，注冊(cè)工程師，加拿大中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司
胡巍，碩士，注冊(cè)工程師，加拿大中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司
參考文獻(xiàn)
1.API Standard 618 -- 5th ed., Washington: American Petroleum Institute, 2007.
2.API Standard 618 -- 4th ed., Washington: American Petroleum Institute, 1995.
3.Advanced Reciprocating Compression Technology (ARCT), Final Report, SwRI@Projectt No. 18.11052, Southwest Research Institute, 2005.
4.William J. Palm III., Mechanical Vibration, John Wiley & Sons, Inc. USA, 2005.
5.ASME B31.3 Process Piping: Code for Pressure Piping. New York: ASME, 1996.
6.Bentley PULS v.8.9.0.28, User's Manual, 2007
Bentley AutoPIPE V8i, User's Manual, 2008
【壓縮機(jī)網(wǎng)】1.引言
對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)組進(jìn)行API 618分析設(shè)計(jì)已成為業(yè)界共識(shí)。目前廣泛應(yīng)用的API 618第五版標(biāo)準(zhǔn)提供了三種設(shè)計(jì)方法，即方法1、方法2和方法3，以控制壓縮機(jī)組的氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)。其中方法1是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)緩沖罐尺寸。方法2是對(duì)機(jī)組系統(tǒng)建立氣流脈動(dòng)分析模型進(jìn)行分析，計(jì)算得到壓力脈動(dòng)、壓降和脈動(dòng)不平衡力等值，從而確定脈動(dòng)控制措施。同時(shí)，也對(duì)管道、容器支撐設(shè)計(jì)進(jìn)行審核，避免管道系統(tǒng)的共振。方法3是在方法2的基礎(chǔ)上，增加壓縮機(jī)系統(tǒng)（包括脈動(dòng)控制裝置）和管道系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)和力響應(yīng)分析。三種方法的適用范圍，由機(jī)組的排氣絕對(duì)壓力和每個(gè)氣缸的額定功率確定，如表1所示。
方法3代表了API 618第五版分析設(shè)計(jì)的z*高要求。因而，正確理解和完整掌握API 618第五版方法3對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)組的成撬設(shè)計(jì)和安全使用十分重要。
2.API 618 第五版方法3介紹
2.1 方法3簡(jiǎn)介
API 618第五版方法3包括氣流脈動(dòng)分析、管道支撐約束分析以及機(jī)械分析（包括必要時(shí)的力響應(yīng)分析）。方法3是在方法2的基礎(chǔ)上，增加壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的機(jī)械分析（包括必要時(shí)的力響應(yīng)分析）所形成的。其目的是通過(guò)使用氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)控制分析相結(jié)合的方法，得到z*有效和z*經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
氣流脈動(dòng)分析是根據(jù)方法1中給出的經(jīng)驗(yàn)公式初步確定緩沖罐尺寸，然后建立氣流脈動(dòng)分析模型進(jìn)行分析，從而確定脈動(dòng)控制措施，即緩沖罐外部尺寸和內(nèi)部濾波管、阻板設(shè)計(jì)，孔板位置和尺寸設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)分析模型包括壓縮機(jī)部分和管道部分。其中壓縮機(jī)部分的模型一般包括活塞和閥門的運(yùn)動(dòng)性能、氣缸氣體通道以及脈動(dòng)控制裝置等，結(jié)束點(diǎn)為脈動(dòng)控制裝置如緩沖罐連接管道的管嘴法蘭。管道部分的模型包括連接管道以及級(jí)間冷卻器等。如果只對(duì)壓縮機(jī)部分的模型進(jìn)行氣流脈動(dòng)分析，則稱為“預(yù)分析”，也稱為“脈動(dòng)聲阻分析”或“緩沖罐檢查”。這種分析一般發(fā)生在還沒(méi)有完成管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但需要確定脈動(dòng)控制措施的情況下。如果管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，一般就不再進(jìn)行這種“預(yù)分析”，直接對(duì)系統(tǒng)全模型（包括壓縮機(jī)和管道部分）進(jìn)行分析即可。通過(guò)氣流脈動(dòng)分析可以確定脈動(dòng)控制措施，并檢查相應(yīng)的壓力脈動(dòng)、壓降和脈動(dòng)不平衡力等值是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如不滿足，則修改脈動(dòng)控制措施或系統(tǒng)設(shè)計(jì)，直到滿足要求為止。
管道支撐約束分析是在完成氣流脈動(dòng)分析后，對(duì)機(jī)組的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行審核，以及計(jì)算管道和容器部分的固有頻率。其目的是通過(guò)調(diào)整管道支撐間距，改變管道系統(tǒng)的固有頻率，從而避免發(fā)生機(jī)械共振。
機(jī)械分析是方法3在方法2（即上述的氣流脈動(dòng)分析和管道支撐約束分析）基礎(chǔ)上增加的部分。機(jī)械分析分為兩部分，即3a部分和3b（3b1、3b2）部分。3a部分就是計(jì)算壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率分析，以檢查系統(tǒng)的頻率避開(kāi)度，以及脈動(dòng)控制裝置中的脈動(dòng)不平衡力是否滿足要求。3b部分中的3b1是計(jì)算壓縮機(jī)及脈動(dòng)控制裝置部分的力響應(yīng)，3b2是計(jì)算管道系統(tǒng)的力響應(yīng)，以確定壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)是否滿足要求的振動(dòng)水平和循環(huán)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值。
如果力響應(yīng)分析結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，方法3分析即完成。否則，需要更改脈動(dòng)控制措施或系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重新分析，直到滿足要求為止。
2.1 方法3流程圖
完整的方法3流程圖如圖1所示。該圖是按照API 618第五版標(biāo)準(zhǔn)中的方法3流程圖翻譯過(guò)來(lái)的。其中條款7.9.3.2給出了使用API 618第五版方法1時(shí)，確定緩沖罐初步尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式。條款7.9.4.2.2給出了使用API 618第五版方法1確定緩沖罐初步尺寸時(shí)，系統(tǒng)需要滿足的管道壓力脈動(dòng)和z*大允許壓降要求。條款7.9.4.2.3.4給出了在沒(méi)有完成管道布置的情況下進(jìn)行氣流脈動(dòng)預(yù)分析時(shí)，管道系統(tǒng)允許的z*大壓力脈動(dòng)值。條款7.9.4.2.5.3.1c給出了進(jìn)行預(yù)分析時(shí)，管道系統(tǒng)允許的z*大壓降值。條款7.9.4.2.3.5給出了在已經(jīng)完成管道布置的情況下進(jìn)行完整的氣流脈動(dòng)分析時(shí)，系統(tǒng)需要滿足的要求條款或設(shè)計(jì)改進(jìn)。條款7.9.4.2.5.2.1給出了壓縮機(jī)氣缸法蘭處允許的z*大壓力脈動(dòng)值。條款7.9.4.2.5.2.2.2給出了壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣、中間級(jí)和z*終排氣管道系統(tǒng)允許的z*大壓力脈動(dòng)值。條款7.9.4.2.5.3.1給出了系統(tǒng)因使用脈動(dòng)控制措施而引起的z*大允許壓降值。條款7.9.4.2.5.2.3給出了經(jīng)雙方協(xié)商同意超過(guò)條款7.9.4.2.5.2規(guī)定的壓力脈動(dòng)允許值，但需要滿足的其它條款要求。條款7.9.4.2.5.3.1c給出了經(jīng)雙方協(xié)商同意超過(guò)條款7.9.4.2.5.3.1規(guī)定的壓降允許值，但需要滿足的其它條款要求。
條款7.9.4.2.4.2是API 618第五版方法3中重要的步驟3a，即計(jì)算壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率分析，以避開(kāi)與系統(tǒng)激振力的共振。同時(shí)給出了系統(tǒng)需要滿足的頻率避開(kāi)度和不平衡脈動(dòng)力允許值要求條款（即7.9.4.2.5.3.2和7.9.4.2.5.2.3條款）。條款7.9.4.2.5.3.2給出了壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的頻率避開(kāi)度要求，即系統(tǒng)z*小固有頻率應(yīng)高于機(jī)組z*高運(yùn)行轉(zhuǎn)速的2.4倍（就是我們常說(shuō)的2.4倍頻要求），以及如果2.4倍頻要求不能滿足或高階頻率處有大的激振力時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率與系統(tǒng)的激振力至少有20%的頻率避開(kāi)度。條款7.9.4.2.5.2.3.3給出了在非共振條件下，安裝在氣缸上的脈動(dòng)控制裝置（一般是緩沖罐）中的z*大允許脈動(dòng)不平衡力值。
條款7.9.4.2.4.3是API 618第五版方法3中重要的步驟3b1，即在脈動(dòng)控制裝置不能滿足系統(tǒng)固有頻率與激振力頻率避開(kāi)度，或脈動(dòng)不平衡力允許值要求的情況下，進(jìn)行壓縮機(jī)及脈動(dòng)控制裝置部分的力響應(yīng)分析，以滿足疲勞循環(huán)應(yīng)力允許值（即7.9.4.2.5.2.5條款要求）和壓縮機(jī)廠家提出的振動(dòng)水平允許值。條款7.9.4.2.5.2.5.1給出了允許的z*大循環(huán)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值。
條款7.9.4.2.4.4是API 618第五版方法3中重要的步驟3b2，即在管道系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)固有頻率與激振力頻率避開(kāi)度，或脈動(dòng)不平衡力允許值要求的情況下，進(jìn)行管道系統(tǒng)的力響應(yīng)分析，以滿足振動(dòng)水平和疲勞循環(huán)應(yīng)力允許值要求（分別按7.9.4.2.5.2.4 和7.9.4.2.5.2.5條款要求）。條款7.9.4.2.5.2.4給出了管道系統(tǒng)允許的振動(dòng)水平標(biāo)準(zhǔn)。條款7.9.4.2.5.2.5.1 給出了允許的z*大循環(huán)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值。
關(guān)于上述條款的更詳細(xì)內(nèi)容和解釋，可見(jiàn)API 618第五版標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 方法3與API 618第四版中M1-M7的相互關(guān)系
為便于說(shuō)明，將圖1中API 618方法3分解為6個(gè)部分，每個(gè)部分以圓圈內(nèi)的紅色數(shù)字表示。其中第1部分即為API 618的方法1，對(duì)應(yīng)第四版的M1分析。第2部分為預(yù)分析。第3部分為系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)分析，對(duì)應(yīng)第四版的M2和M3分析。第4部分為計(jì)算壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率，對(duì)應(yīng)第四版的M4和M5分析。第5部分為進(jìn)行壓縮機(jī)系統(tǒng)的力響應(yīng)分析，對(duì)應(yīng)第四版的M6分析。第6部分為進(jìn)行管道系統(tǒng)的力響應(yīng)分析，對(duì)應(yīng)第四版的M7的分析。第四版中M8-M11分析，在第五版中均有提及，但不是必須的強(qiáng)制分析內(nèi)容。
2.4 關(guān)于方法3的討論
API 618方法3第1至第3部分分析為氣流脈動(dòng)分析，自第4部分及以后為機(jī)械振動(dòng)分析。目前，對(duì)氣流脈動(dòng)分析部分，基本認(rèn)識(shí)和分析方法一致。但對(duì)機(jī)械振動(dòng)分析部分，則有不同認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致不同的分析思路和設(shè)計(jì)考慮。
2.4.1 在方法3中省略第5和第6部分的力響應(yīng)分析
從圖1可以看出，一個(gè)完整的方法3分析要經(jīng)過(guò)第1至第6部分所有的步驟。但在完成第4部分（即3a部分）分析后，如果滿足下面相關(guān)要求，可以不做3b（3b1、3b2）部分的力響應(yīng)分析，即省略第5和第6部分的力響應(yīng)分析。此時(shí)，方法3的分析簡(jiǎn)化成“方法2加第四版M5的分析”。
這些相關(guān)要求包括：（1）壓縮機(jī)和管道系統(tǒng)的z*小機(jī)械固有頻率分析，應(yīng)高于機(jī)組z*高運(yùn)行轉(zhuǎn)速的2.4倍。（2）如果2.4倍頻要求不能滿足或高階頻率處有大的激振力時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械固有頻率與激振力至少有20%的頻率避開(kāi)度。（3）在所有非共振條件下，安裝在氣缸上的脈動(dòng)控制裝置中的z*大允許脈動(dòng)不平衡力滿足規(guī)定要求。
為了滿足上面3個(gè)條件，往往需要對(duì)機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)施加較多的機(jī)械支撐和約束，以提高系統(tǒng)的支撐剛度和頻率。但這樣做，在實(shí)際工程中容易出現(xiàn)一些困難。s*先，對(duì)管道系統(tǒng)、氣缸、進(jìn)氣緩沖罐和進(jìn)氣洗滌罐等施加較多的支撐，勢(shì)必對(duì)本來(lái)就有限的壓縮機(jī)撬空間提出更大挑戰(zhàn)，對(duì)海洋平臺(tái)上的機(jī)組尤為如此。其次，較多的支撐約束有時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道系統(tǒng)柔性下降、熱應(yīng)力過(guò)大，造成管夾崩壞、管嘴變形過(guò)大甚至破壞等新的問(wèn)題。此外，過(guò)度的支撐和約束設(shè)計(jì)也增加了機(jī)組建造成本，以及帶來(lái)維修上的不方便。
所以，盡管API 618方法3容許在滿足相關(guān)條件的情況下，省略第5和第6部分的力響應(yīng)分析，即進(jìn)行“方法2加第四版M5的分析”，但從機(jī)組的z*后設(shè)計(jì)效果來(lái)看，其是否為一個(gè)值得推薦的做法還有待商榷。當(dāng)然，如機(jī)組在初步設(shè)計(jì)時(shí)即自動(dòng)滿足上面3個(gè)條件，則方法3中的第5和第6部分的力響應(yīng)分析可省略不做，但這種情況在實(shí)際工程中一般較少出現(xiàn)。
2.4.2 在方法3中省略第4部分的壓縮機(jī)部分固有頻率分析和第5及第6部分的力響應(yīng)分析
這樣的分析實(shí)際上是API 618方法2分析，不是API 618方法3分析。也就是說(shuō)，在任何情況下，方法3必須包括壓縮機(jī)部分固有頻率分析（即第四版M5的分析）。沒(méi)有該部分的分析不能稱之為方法3分析。
2.4.3 機(jī)械連接部位的動(dòng)剛度對(duì)系統(tǒng)固有頻率計(jì)算結(jié)果的影響
在API 618方法3機(jī)械振動(dòng)分析中，計(jì)算結(jié)果的精度在很大程度上取決于機(jī)械連接部位（如壓縮機(jī)中體支撐剛度、洗滌罐與撬體梁表面連接剛度、緩沖罐管嘴與相聯(lián)管道的連接剛度等）動(dòng)剛度的準(zhǔn)確性。如果這些剛度值取得過(guò)大，計(jì)算得到的機(jī)組固有頻率就偏高，把實(shí)際不滿足“2.4倍頻”要求的頻率計(jì)算成滿足“2.4倍頻”要求的頻率，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)隱患。如果這些剛度值取得過(guò)小，計(jì)算的系統(tǒng)固有頻率就偏低，從而導(dǎo)致不必要的設(shè)計(jì)改進(jìn)。所以，如何確定這些關(guān)鍵部位的連接剛度，直接影響到了機(jī)組設(shè)計(jì)方案的好壞。這也是我們一直提倡并實(shí)施用有限元方法計(jì)算這些關(guān)鍵部位動(dòng)剛度的原因。
2.4.4 管道柔性和熱應(yīng)力分析
管道柔性和熱應(yīng)力分析不是API 618第五版方法3中要求的必需分析內(nèi)容，但實(shí)際上越來(lái)越成為機(jī)組成撬設(shè)計(jì)和安全使用中的一個(gè)重要部分。這不僅是因?yàn)橐话阈枰峁┕艿涝谇诉吔唤狱c(diǎn)的力和力矩值，以實(shí)現(xiàn)與撬外管道的安全連接，而該值需要通過(guò)管道柔性和熱應(yīng)力分析才能得到。更重要的是，撬內(nèi)管道的柔性和熱應(yīng)力狀態(tài)同樣也會(huì)影響機(jī)組的安全運(yùn)行。管道布置柔性不好和熱應(yīng)力過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞管道支撐，引起機(jī)組系統(tǒng)機(jī)械固有頻率的改變以及機(jī)組振動(dòng)，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致容器、設(shè)備管嘴連接部位變形過(guò)大甚至破壞管嘴連接。所以，目前越來(lái)越多的壓縮機(jī)組成撬廠家和z*終用戶開(kāi)始要求進(jìn)行該部分的分析工作，從而達(dá)到控制振動(dòng)和熱應(yīng)力的雙重目標(biāo)，以確保機(jī)組系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
3.API 618方法3分析實(shí)例
以某注氣壓縮機(jī)組為例，說(shuō)明如何進(jìn)行完整的API 618 方法3分析。該壓縮機(jī)組的總體布置設(shè)計(jì)如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如下：
型式：臥式雙列三級(jí)雙作用
功率：1800 kW
排量：35-40萬(wàn)方/天（天然氣）
進(jìn)氣壓力：1.45 MPa
排氣壓力：28 MPa
氣缸直徑：一級(jí)φ245mm；二級(jí)φ180mm；三級(jí)φ135mm
活塞行程：139.7
壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速：990轉(zhuǎn)/分
3.1 氣流脈動(dòng)分析即第1至第3部分分析
API 618方法3分析的第一步是建立機(jī)組系統(tǒng)的氣流脈動(dòng)分析模型，通過(guò)分析確定緩沖罐尺寸等脈動(dòng)控制措施，并檢查壓力脈動(dòng)、壓降和脈動(dòng)不平衡力等是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該分析工作復(fù)蓋了方法3流程圖中所示的第1至第3部分。作為示例，圖3顯示了該機(jī)組一級(jí)進(jìn)氣系統(tǒng)的脈動(dòng)分析模型及壓力脈動(dòng)分析結(jié)果。機(jī)組中間級(jí)及z*后級(jí)也建立同樣的分析模型進(jìn)行分析。
3.2 機(jī)械振動(dòng)分析部分（3a部分）- 固有頻率計(jì)算
機(jī)械分析工作的第一步是建立機(jī)組系統(tǒng)的分析模型，計(jì)算壓縮機(jī)集氣室部分（包括中體、氣缸、進(jìn)氣和排氣緩沖罐、洗滌罐等）和管道系統(tǒng)的固有頻率，并將其與機(jī)組運(yùn)行速度相對(duì)應(yīng)的激振頻率進(jìn)行比較。需要注意的是，固有頻率計(jì)算不是只對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行，還包括壓縮機(jī)集氣室部分，因?yàn)樵摬糠謟*低固有頻率在一般情況下都是低于2.4倍壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的。作為示例，圖4顯示了機(jī)組系統(tǒng)的第一階固有頻率和振型（主要變形發(fā)生在分離器-進(jìn)氣緩沖罐段），其固有頻率為系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的2倍。圖5所示的分析結(jié)果表明，z*低系統(tǒng)頻率并不在2.4倍壓縮機(jī)運(yùn)行頻率之上，其它頻率也沒(méi)有完全避開(kāi)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的倍頻數(shù)范圍，因而力響應(yīng)分析（3b部分）需要被執(zhí)行。
3.3 機(jī)械振動(dòng)分析部分（3b部分）-力響應(yīng)分析
在機(jī)械振動(dòng)分析部分的力響應(yīng)分析中，壓縮機(jī)集氣室系統(tǒng)的激振力為氣流脈動(dòng)引起的不平衡力和氣缸內(nèi)的氣體力，管道系統(tǒng)的激振力為氣流脈動(dòng)引起的不平衡力。把上述激振力施加到系統(tǒng)模型上，通過(guò)強(qiáng)迫振動(dòng)分析，計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（位移、加速度和動(dòng)應(yīng)力）。作為示例，圖6顯示了計(jì)算得到的機(jī)組動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)。
3.4 機(jī)組系統(tǒng)的熱應(yīng)力分析
對(duì)由壓力、重力和溫度熱膨脹載荷引起的管道應(yīng)力和設(shè)備管嘴載荷進(jìn)行分析計(jì)算，以確認(rèn)機(jī)組在滿足振動(dòng)控制的前提下，同時(shí)滿足ASME B31.3管道柔性和熱應(yīng)力要求，以及設(shè)備管嘴載荷滿足廠家規(guī)定的z*大值要求。作為示例，圖7顯示了機(jī)組系統(tǒng)的熱應(yīng)力分析結(jié)果。
以上分析包括了API 618方法3的全部分析內(nèi)容。從而保證了機(jī)組的設(shè)計(jì)滿足壓力脈動(dòng)、壓降、脈動(dòng)不平衡力、管道柔性和熱應(yīng)力、以及設(shè)備管嘴載荷等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
4.結(jié)論
本文詳細(xì)介紹了API 618第五版方法3分析的完整內(nèi)容，并以項(xiàng)目實(shí)例說(shuō)明了對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)組進(jìn)行API 618第五版方法3分析，避免機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題的一般過(guò)程。同時(shí)討論了API 618第五版方法3與第四版M2-M7分析之間的關(guān)系，以及在進(jìn)行方法3分析中需要關(guān)注的動(dòng)剛度計(jì)算等重點(diǎn)。為往復(fù)式壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)和使用人員，正確理解和應(yīng)用API 618第五版方法3提供了技術(shù)參考依據(jù)。
作者簡(jiǎn)介：
徐宜桂，博士，注冊(cè)工程師，加拿大中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司，http://www.zcppe.com, E-mail: jason.xu@zcppe.com
孫成憲，博士，注冊(cè)工程師，加拿大中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司
盧福志，博士，注冊(cè)工程師，加拿大中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司
胡巍，碩士，注冊(cè)工程師，加拿大中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司
參考文獻(xiàn)
1.API Standard 618 -- 5th ed., Washington: American Petroleum Institute, 2007.
2.API Standard 618 -- 4th ed., Washington: American Petroleum Institute, 1995.
3.Advanced Reciprocating Compression Technology (ARCT), Final Report, SwRI@Projectt No. 18.11052, Southwest Research Institute, 2005.
4.William J. Palm III., Mechanical Vibration, John Wiley & Sons, Inc. USA, 2005.
5.ASME B31.3 Process Piping: Code for Pressure Piping. New York: ASME, 1996.
6.Bentley PULS v.8.9.0.28, User's Manual, 2007
Bentley AutoPIPE V8i, User's Manual, 2008
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