空氣壓縮機(jī)組富氧改造腐蝕分析及處理

裴 超

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

0 引言

海洋石油富島有限公司年產(chǎn)30 萬噸合成氨裝置采用ICIAMV 技術(shù)，于1996 年8 月建成投產(chǎn)。2016 年3 月，為適用于多種熱值的天然氣資源對(duì)裝置進(jìn)行技術(shù)改造，采用二段爐加26%富氧工藝，能耗達(dá)到國內(nèi)同行業(yè)優(yōu)秀水平。

1 工藝流程

工藝空氣壓縮機(jī)由燃?xì)馔钙剑?2-MT01）驅(qū)動(dòng)，入口空氣由兩部分組成，一部分用于燃?xì)馔钙饺紵芭撌彝L(fēng)，另一部分用于空氣壓縮機(jī)作為工藝空氣。工藝空氣經(jīng)空氣冷卻器（02-E005）、入口過濾器（02-F001），在壓縮機(jī)一段入口與空分提供的純氧（設(shè)計(jì)3000 Nm3/h）混合，混合后含氧量26.5%的空氣進(jìn)入壓縮機(jī)低壓缸一段壓縮后，經(jīng)過一段段間冷卻器（02-E001）冷卻和一段分離器（02-F002）分離，一部分氣體（330 Nm3/h）去尿素單元，其他氣體進(jìn)入低壓缸二段進(jìn)行壓縮，氣體出來后經(jīng)二段段間冷卻器（02-E002）冷卻和二段分離器（02-F003）分離后，一部分氣體（1800 Nm3/h）供儀表空氣使用，其他氣體進(jìn)入高壓缸三段，壓縮后氣體流經(jīng)三段段間冷卻器（02-E003）冷卻和三段分離器（02-F004）分離，進(jìn)入高壓缸四段進(jìn)行壓縮，經(jīng)過壓縮后的氣體送往二段爐（圖1）。

圖1 工藝空氣壓縮機(jī)組工藝流程

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

工藝空氣壓縮機(jī)組主機(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)低壓缸、壓縮機(jī)高壓缸組成，燃?xì)廨啓C(jī)低壓軸與壓縮機(jī)通過撓性聯(lián)軸節(jié)連接驅(qū)動(dòng)。燃?xì)廨啓C(jī)由新比隆公司制造，壓縮機(jī)由日立公司制造。燃?xì)廨啓C(jī)和壓縮機(jī)安裝在不同底座上，機(jī)組潤滑油、液壓油共用一套油系統(tǒng)，由燃?xì)廨啓C(jī)提供，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 工藝空氣壓縮機(jī)組技術(shù)參數(shù)

3 故障現(xiàn)象

工藝空氣壓縮機(jī)組自建廠以來，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長、腐蝕的加重，機(jī)組效率逐步降低，壓縮機(jī)組大修周期短，一般在2 年左右。嚴(yán)重時(shí)甚至需要通過調(diào)整負(fù)荷，以滿足設(shè)備運(yùn)行。

該機(jī)組于2016 年進(jìn)行富氧改造，內(nèi)件的腐蝕速率大大增加。2018 年3 月大修中發(fā)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)銹蝕較2016 年嚴(yán)重，尤其是一段入口管道經(jīng)空冷器冷卻后濕度達(dá)100%的入口空氣，在26.5%富氧環(huán)境下，引起設(shè)備、管道腐蝕加劇。

裝置大修期間，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)封頭、隔板均有較為嚴(yán)重的銹蝕、點(diǎn)蝕、沖刷痕跡，轉(zhuǎn)子組件葉輪流道結(jié)垢嚴(yán)重。主要表現(xiàn)為：①隔板結(jié)垢嚴(yán)重，隔板導(dǎo)葉上聚集大量浮銹粉末（圖2）；②轉(zhuǎn)子組件葉輪流道內(nèi)外側(cè)均有較厚的銹垢累積（圖3）；③封頭入口喇叭導(dǎo)流口點(diǎn)蝕嚴(yán)重（圖4），特別是三段入口導(dǎo)流口有70%明顯凹坑，最深2 mm，封頭正下方入口擾流板正對(duì)位置沖刷腐蝕嚴(yán)重，寬24.6 mm、深5 mm，封頭內(nèi)壁圓周方向腐蝕減薄，原內(nèi)件Φ270 mm，最大減薄至Φ272.4 mm；④上缸體及擾流板位置腐蝕減薄（圖5），腐蝕深度2 mm；⑤低壓缸隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，軸向推力發(fā)生變化，導(dǎo)致主推力軸承載荷變大，軸承瓦水準(zhǔn)塊及固定銷釘存在嚴(yán)重磨損。導(dǎo)致該機(jī)組需要頻繁檢修，進(jìn)行隔板、轉(zhuǎn)子、封頭的清理及止推軸承更換。

圖2 隔板

圖3 轉(zhuǎn)子葉輪流道

圖4 封頭導(dǎo)流口

圖5 擾流板

4 原因分析

經(jīng)空冷器02-E005 冷卻后濕度達(dá)100%的入口空氣，在26.5%富氧環(huán)境下，引起設(shè)備、管道腐蝕加劇。工藝空氣壓縮機(jī)由于原始設(shè)計(jì)上的原因，封頭、缸體、葉輪材料均采用碳鋼、合金鋼材料，局部使用不銹鋼（表2），由于地理位置靠海，介質(zhì)空氣濕度、鹽分相對(duì)高，加上空氣氧含量的增加，加劇了非不銹鋼部件材料的銹蝕。腐蝕會(huì)造成流體流道表面產(chǎn)生凸凹不平，使壓縮機(jī)內(nèi)部損耗增加，壓縮機(jī)效率的降低會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力消耗的增加。

表2 工藝空氣壓縮機(jī)各部件材料

壓縮機(jī)組根據(jù)使用環(huán)境，主要存在鹽霧腐蝕。海水的成分復(fù)雜，含有多種無機(jī)鹽、有機(jī)物及溶解的氣體、懸浮物、膠體、生物等。由于海水中含有大量的氯化鈉，其水解形成的氯離子具有強(qiáng)烈的腐蝕性。海風(fēng)攜帶的海鹽粒子及水蒸汽被壓縮機(jī)組吸入產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致金屬表面與離子導(dǎo)電的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞。在反應(yīng)過程中有電流產(chǎn)生。腐蝕金屬表面上存在著陰極和陽極。陽極的反應(yīng)是金屬原失去電子而成為離子狀態(tài)轉(zhuǎn)移到介質(zhì)中，稱為陽極氧化反應(yīng)。陰極反應(yīng)是介質(zhì)中的去極化劑吸收來自陽極的電子，稱為陰極還原過程。這兩個(gè)反應(yīng)是相互獨(dú)立而又同時(shí)進(jìn)行的，為一對(duì)共軛反應(yīng)。電化學(xué)腐蝕比較普遍，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的危害嚴(yán)重。

此外，根據(jù)壓縮機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)備同時(shí)存在沖刷腐蝕，空氣中氣流夾帶的水分，管道腐蝕形成的金屬顆粒，工藝空氣介質(zhì)在壓縮機(jī)組內(nèi)部導(dǎo)流、限流等改變氣流流速、方向形成湍流，造成沖刷腐蝕。在沖刷過程中，加速了物質(zhì)傳遞的過程，促進(jìn)氧氣與管道、設(shè)備內(nèi)表面的接觸，并使得腐蝕物脫離材料的表面，加速機(jī)組的電化學(xué)腐蝕。

為降低電化學(xué)腐蝕，需要從根源解決問題。在壓縮機(jī)組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣流速度等無法改變的情況下，降低電化學(xué)腐蝕速率及減少?zèng)_刷腐蝕是目前解決問題的主要途徑。對(duì)于本臺(tái)機(jī)組設(shè)備，主要從以下3 個(gè)方面解決問題：①降低空氣濕度，將濕度由100%降低至70%左右；②減少金屬顆粒物的形成，將入口管道及設(shè)備內(nèi)件進(jìn)行材料升級(jí)，減小電化學(xué)腐蝕效果；③設(shè)備修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)于設(shè)備已出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸改變進(jìn)行修復(fù)。

5 處理措施

5.1 壓縮機(jī)02-F001 入口空氣隔離改造

為了降低入口空氣中水含量，將空壓機(jī)入口空氣單獨(dú)隔離進(jìn)氣。因環(huán)境限制，改造后壓縮機(jī)入口空氣最高溫度將達(dá)到約38 ℃，為此，委托設(shè)計(jì)院進(jìn)行工藝空氣壓縮機(jī)參數(shù)核算，核算后符合工藝要求。

根據(jù)燃?xì)馔钙脚c壓縮機(jī)的流量需求，將原02-F001 空氣過濾器進(jìn)行分割，按照3∶1 進(jìn)行分離，壓縮機(jī)入口空氣不經(jīng)過空冷系統(tǒng)02-E005 降溫，直接經(jīng)02-F001 空氣過濾器過濾使用。

改造后燃?xì)馔钙?2-MT01：①02-MT01 空氣空冷器入口處面積增大，空氣濾芯處面積不變，不會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行；②02-E005只冷卻02-MT01 入口空氣，有利于02-MT01 的調(diào)節(jié)；③燃機(jī)輸出功率稍有增加。

改造后壓縮機(jī)組02-K001：①空氣流通量，02-MT01 和02-K001 空氣量比為3∶1，2003 年改造前公用02-F001 西側(cè)和南側(cè)墻進(jìn)氣且工況正常，現(xiàn)02-K001 單獨(dú)使用西側(cè)墻且空氣濾芯處面積不變，因此改造后空氣流通量滿足；②打氣量，空壓機(jī)初始設(shè)計(jì)在入口38.8 ℃、出口壓力4.3 MPa 下，能力為46 000 Nm3/h，且2016年改造后工藝氣流量和壓力均大幅降低，當(dāng)入口溫度恢復(fù)為環(huán)境溫度后，空壓機(jī)打氣量能滿足工藝所需，需求功率有所增加；③段間換熱器、分離器和管道的設(shè)計(jì)參數(shù)均按照未安裝02-E005 來設(shè)計(jì)，能滿足要求；④功率消耗，由于入口溫度增加，會(huì)增加02-K001一段的功率消耗，約100～150 kW（流量為41 500 Nm3/h）；⑤工藝操作，02-K001 打氣量會(huì)隨環(huán)境溫度變化而變化，需要工藝人員及時(shí)進(jìn)行調(diào)整；⑥02-F001 西側(cè)為輔助鍋爐和燃?xì)馀艢馔ǖ?，入口空氣溫度可能?huì)稍高于環(huán)境溫度。

5.2 壓縮機(jī)低壓缸一段入口管線改造

由于空壓機(jī)吸入管道為碳鋼材料，裝置連續(xù)運(yùn)行多年，一級(jí)吸入管道的生銹情況嚴(yán)重，管道內(nèi)部凹凸不平，無法滿足富氧空氣介質(zhì)要求的清潔環(huán)境。在裝置大修期間對(duì)壓縮機(jī)組低壓缸一段入口管線進(jìn)行了材料更換，將一段入口管線由碳鋼升級(jí)為304#不銹鋼。經(jīng)過改造，消除低壓缸一段入口管線腐蝕減薄、鼓包的隱患，避免管線內(nèi)腐蝕雜質(zhì)進(jìn)入低壓缸內(nèi)，反復(fù)沖刷造成隔板、轉(zhuǎn)子結(jié)垢。

5.3 設(shè)備內(nèi)件改造修復(fù)

（1）對(duì)壓縮機(jī)組低壓缸、高壓缸的部分隔板進(jìn)行改造，將壓縮機(jī)各段間入口隔板、一級(jí)級(jí)間隔板、四級(jí)級(jí)間隔板（總共8 塊）進(jìn)行不銹鋼材料升級(jí)，升級(jí)后材料為HUS60（圖6）。經(jīng)過改造，高低壓缸腐蝕嚴(yán)重的隔板被更換，降低了設(shè)備內(nèi)部的腐蝕，隔板結(jié)垢流道減小和擾流板的腐蝕減薄隱患被消除，消除了隔板擾流板脫落造成設(shè)備損壞的事故隱患。在此基礎(chǔ)上，降低空壓機(jī)效率衰減率，在降低空壓機(jī)能耗上取得一定成效，改造后各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 壓縮機(jī)更新隔板示意

（2）將壓縮機(jī)組低壓缸、高壓缸兩端封頭腐蝕減薄部位修復(fù)。在改造過程中，因封頭屬于受壓部件，按規(guī)定出廠前必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。按照ASME 標(biāo)準(zhǔn)，更換封頭也需進(jìn)行耐壓測試。由于封頭流路面積很小，對(duì)整體效率影響微小，投入大性價(jià)比很低，因此封頭采用修復(fù)辦法較為合適。封頭修復(fù)過程中通過手工打磨，采用短弧焊接窄焊道方法，控制層間溫差小于200 ℃。用線切割制作外緣弧形靠模，補(bǔ)焊后根據(jù)靠模進(jìn)行機(jī)加工。修復(fù)后投入使用，運(yùn)行狀況良好。

6 結(jié)論

在防腐蝕處理前，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，設(shè)備連接管道與設(shè)備內(nèi)件存在腐蝕，空壓機(jī)效率會(huì)因流道結(jié)垢逐漸衰減。在進(jìn)行防腐蝕實(shí)施后，相同流量和壓力下，空壓機(jī)的3 個(gè)段間出口溫度值均有所下降，轉(zhuǎn)速下降約29 r/min，整機(jī)效率相比改造前提高約0.8%。

在2 年的運(yùn)行后設(shè)備大修檢查，結(jié)垢情況明顯好轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)組的隔板、葉輪等部件清潔度高，低壓缸轉(zhuǎn)子軸位移情況得到明顯緩解，各段分離器除沫網(wǎng)恢復(fù)潔凈，日常運(yùn)行中疏水器排出的銹垢量明顯減少。經(jīng)過處理后，壓縮機(jī)的運(yùn)行周期增加，設(shè)備檢修及停機(jī)損失減少，機(jī)組效率提高，產(chǎn)生良好的節(jié)能降耗效果。