合成氣壓縮機(jī)故障原因分析及解決措施

朱白欽

(河南龍宇煤化工有限公司， 河南永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司一期50萬(wàn)t/a甲醇裝置中，來(lái)自低溫甲醇洗裝置的凈化氣(25～35 ℃、 2.5～3.2 MPa、115 000～145 000 m3/h)和來(lái)自氫回收裝置的新鮮原料氣(55～65 ℃、2.5～3.3 MPa、 11 000～16 000 m3/h)相混合后，經(jīng)合成氣壓縮機(jī)的新鮮氣壓縮段入口分離器進(jìn)入新鮮氣壓縮段，再通過(guò)合成氣壓縮機(jī)進(jìn)行六級(jí)壓縮后,氣體(5.3～7.7 MPa、140～165 ℃)進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)的循環(huán)壓縮段入口[1]。

來(lái)自甲醇合成工序的循環(huán)氣(35～45 ℃、5.3～7.7 MPa、650 000～850 000 m3/h)進(jìn)入循環(huán)氣的入口分離器后，再進(jìn)入循環(huán)壓縮段的入口，與新鮮段來(lái)的氣體(40～65 ℃)相混合后進(jìn)入循環(huán)段，氣體(5.5～8.2 MPa、60～85 ℃)去甲醇合成塔內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)，部分合成氣態(tài)甲醇再經(jīng)冷卻、冷凝、分離出粗甲醇產(chǎn)品，送往甲醇精餾工段[2]。

1 合成氣壓縮機(jī)葉輪損壞原因及處理措施

1.1 合成氣壓縮機(jī)概況

合成氣壓縮機(jī)型號(hào)為 STC-SV(10-7-A)，由德國(guó)西門子設(shè)計(jì)制造。該型號(hào)為汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)，為一缸兩段七級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)，其中第一段為新鮮氣壓縮段，由六級(jí)葉輪組成；第二段為循環(huán)段，由一級(jí)葉輪組成。

1.2 損壞情況

合成氣壓縮機(jī)(K15301)因驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)(VX/YE15312)振值高而觸發(fā)聯(lián)鎖跳車。經(jīng)調(diào)取運(yùn)行參數(shù)并分析后確認(rèn)，機(jī)組驅(qū)動(dòng)端振值及非驅(qū)動(dòng)端振值均增高，達(dá)到驅(qū)動(dòng)端振值高高聯(lián)鎖(81 μm)跳車,之后盤車正常。經(jīng)再次試機(jī)，啟動(dòng)后機(jī)組沖轉(zhuǎn)至2 000 r/min時(shí),驅(qū)動(dòng)端軸承溫度上漲較快，達(dá)135 ℃時(shí)跳車。判斷原因?yàn)檩S承損壞，且機(jī)組轉(zhuǎn)子存在不平衡量。拆開軸承發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端軸承巴氏合金損壞(見(jiàn)圖1)，后繼續(xù)拆檢缸體，抽出轉(zhuǎn)子后發(fā)現(xiàn)機(jī)組二段入口導(dǎo)流體部件導(dǎo)葉斷開兩處(見(jiàn)圖2)，機(jī)組末級(jí)葉輪進(jìn)口部位多處變形(見(jiàn)圖3)，一至六級(jí)葉輪級(jí)間通流部件存在附著性雜物，尤以第一級(jí)更嚴(yán)重。

圖1 驅(qū)動(dòng)端軸承損壞

圖2 導(dǎo)流體的導(dǎo)葉斷開

圖3 葉輪進(jìn)口變形

1.3 損壞原因分析

由于工藝氣較臟，一級(jí)入口附著雜物脫落后進(jìn)入葉輪，引起驅(qū)動(dòng)端軸振動(dòng)，振動(dòng)狀態(tài)下二段入口處渦流加劇，進(jìn)而導(dǎo)致因長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行已存在疲勞損傷的入口導(dǎo)流體導(dǎo)葉片斷裂，造成平衡盤側(cè)末級(jí)葉輪打傷。

1.4 解決措施

先對(duì)轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行噴砂處理，再進(jìn)行清洗和著色探傷檢查，根據(jù)葉輪損壞情況考慮相應(yīng)處理方案。(1) 打磨葉輪的損傷葉片，以消除損傷部位；切割打磨損傷葉片對(duì)面的葉片，使葉輪對(duì)稱、平衡。該方案作為臨時(shí)應(yīng)急處理方案。(2) 對(duì)葉輪損傷的葉片進(jìn)行激光熔敷修復(fù)。需要將平衡盤、葉輪全部熱拆下來(lái)，葉輪單獨(dú)做激光熔敷；單個(gè)葉輪經(jīng)超速試驗(yàn)、動(dòng)平衡、轉(zhuǎn)子組裝等工序。此方案中，葉輪、平衡盤拆卸過(guò)程存在熱拆損傷風(fēng)險(xiǎn)。

綜合考慮后，決定對(duì)葉輪損傷葉片進(jìn)行打磨、修型處理(見(jiàn)圖4)。對(duì)導(dǎo)流體導(dǎo)葉片進(jìn)行水清洗、著色探傷后，對(duì)葉片根部裂紋處進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，對(duì)導(dǎo)流體后端采取切割打磨圓弧處理(見(jiàn)圖5)。

圖4 修復(fù)后的葉輪

圖5 修復(fù)后的導(dǎo)流體

葉輪修復(fù)后，針對(duì)轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行低速、高速動(dòng)平衡，確保運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)均正常。

2 干氣密封損壞原因及處理措施

2.1 干氣密封工作流程

合成氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，排出部分工藝氣體(8.2 MPa、71 ℃)。在開停車過(guò)程中，自界區(qū)來(lái)的高壓氮?dú)?6.0 MPa)作為密封氣氣源，經(jīng)過(guò)第一級(jí)密封氣過(guò)濾器后，進(jìn)入壓縮機(jī)兩側(cè)的第一級(jí)密封端面，在密封面上形成密封氣膜，以防止壓縮機(jī)內(nèi)的工藝氣體進(jìn)入密封。密封端面上正常向外產(chǎn)生的少量工藝泄漏氣，經(jīng)壓力控制后去火炬燃燒。自界區(qū)來(lái)的8.1 MPa氮?dú)猓?jīng)第二級(jí)密封氣過(guò)濾器過(guò)濾后，控制壓力為0.6 MPa，然后進(jìn)入第二級(jí)密封氣端面，正常向外泄漏的少量氮?dú)獗灰鲋涟踩幏趴?。?dāng)控制氣壓力為0.2 MPa時(shí)，在壓縮機(jī)軸端的密封函內(nèi)進(jìn)行隔離。由于機(jī)組工作介質(zhì)為合成氣，采用雙端面串聯(lián)式干氣密封[2]。

2.2 干氣密封損壞

2021年5月，干氣密封運(yùn)行期間，前系統(tǒng)出現(xiàn)緊急停車，干氣密封氣源壓力(PI15325)由6.1 MPa降至5.7 MPa，其間使用高壓氮?dú)庾鳛闅庠矗?PI1533降至低聯(lián)鎖值(50 kPa)，3 s后機(jī)組跳車。機(jī)組跳車后，驅(qū)動(dòng)端及非驅(qū)動(dòng)端泄漏氣壓力恢復(fù)正常。從趨勢(shì)看，干氣密封驅(qū)動(dòng)端泄漏量無(wú)明顯異常，隨后嘗試沖轉(zhuǎn)開車。因驅(qū)動(dòng)端一級(jí)泄漏氣壓力低聯(lián)鎖觸發(fā)停車，基本判斷驅(qū)動(dòng)端干氣密封出現(xiàn)問(wèn)題，機(jī)組轉(zhuǎn)入更換干氣密封階段[3-4]。

2.3 密封拆解情況

委托專業(yè)維修廠家對(duì)干氣密封進(jìn)行維修拆檢，結(jié)果如下：

(1) 拆一、二級(jí)彈簧座連接螺栓。因螺栓安裝時(shí)涂有螺紋鎖固膠，使用熱吹風(fēng)機(jī)吹熱后，拆卸取出卡圈，將二級(jí)彈簧座拿開后，發(fā)現(xiàn)二級(jí)動(dòng)靜環(huán)密封面存在磨損(見(jiàn)圖6)。二級(jí)動(dòng)環(huán)處于卡死的狀態(tài)，“O”型圈出現(xiàn)傷痕；不裝“O”型圈時(shí)再用推環(huán)反復(fù)壓彈簧，發(fā)現(xiàn)反彈良好，各彈簧目測(cè)完好；二級(jí)動(dòng)靜環(huán)摩擦副端面有明顯接觸運(yùn)轉(zhuǎn)痕跡，動(dòng)環(huán)卡死，靜環(huán)無(wú)追隨性；拆解靜環(huán)后可見(jiàn)二級(jí)靜環(huán)“O”型圈表面磨損，彈簧座滑移面有磨痕。

圖6 二級(jí)靜環(huán)密封面存在磨損

(2) 拆一級(jí)動(dòng)靜環(huán)密封。各處都比二級(jí)動(dòng)靜環(huán)情況稍好，但“O”型圈也有磨損且軸向滑動(dòng)不良。一級(jí)靜環(huán)(見(jiàn)圖7)摩擦副端面有明顯接觸運(yùn)轉(zhuǎn)痕跡，痕跡分布整個(gè)端面；一級(jí)泄漏氣通道可見(jiàn)石墨粉末。

圖7 一級(jí)靜環(huán)密封面存在磨損

2.4 原因分析

(1) 拆解密封后，發(fā)現(xiàn)二級(jí)動(dòng)環(huán)密封圈卡死，二級(jí)密封端面脫開(見(jiàn)圖8)，一級(jí)泄漏至二級(jí)端面排出，造成一級(jí)泄漏氣壓力低聯(lián)鎖跳車。

圖8 二級(jí)密封端面

(2) 二級(jí)動(dòng)環(huán)卡死的原因，主要是“O”型圈磨損，一、二級(jí)摩擦副端面運(yùn)轉(zhuǎn)接觸磨損，石墨粉末等雜質(zhì)堆積在彈簧座滑移面處。隨著現(xiàn)場(chǎng)工藝波動(dòng)、機(jī)組的震動(dòng)、機(jī)組軸位移變化等，推環(huán)密封“O”型圈與彈簧座滑移面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在石墨粉等固態(tài)顆粒雜質(zhì)的作用下，摩擦力增加，彈簧座滑移面粗糙度降低。

(3) 機(jī)加工精度較低，相關(guān)零部件幾何精度和形位公差偏大，造成相關(guān)配合垂直度尺寸、表面粗糙度等指標(biāo)超標(biāo)，在運(yùn)行期間引起“O”型圈表面粗糙度降低?；瑒?dòng)表面的粗糙度是引起“O”型圈表面摩擦與磨損的直接因素。

(4) 該密封一級(jí)、二級(jí)摩擦副端面同時(shí)磨損，可能是密封轉(zhuǎn)動(dòng)組件的定位面精度下降、垂直度降低造成，導(dǎo)致密封轉(zhuǎn)動(dòng)件與定位面間相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)。從拆解下的密封可見(jiàn)，壓緊套外端面有明顯運(yùn)轉(zhuǎn)磨損痕跡。該密封采用鎖緊背冒作為定位原件，裝拆時(shí)都會(huì)對(duì)其進(jìn)行敲擊，導(dǎo)致工件變形、定位面精度下降。

2.5 解決及防范措施

(1) 使用杜邦公司密封圈，保證其產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。

(2) 干氣密封彈簧座滑移面，壓緊套外端面表面粗糙度不低于0.4，形位公差精度不低于5級(jí)。

(3) 干氣密封安裝時(shí)，必須嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè)，同時(shí)保證定位面粗糙度不大于0.8，位置公差精度不低于5級(jí)。

(4) 該密封主體結(jié)構(gòu)原采用雙旋向流體動(dòng)壓

槽，要求端面脫開，差壓高、抗波動(dòng)能力差、氣膜不穩(wěn)定。為此，改為單旋向螺旋槽，其抗波動(dòng)能力強(qiáng)，可提高氣膜穩(wěn)定性。

(5) 增大干氣密封過(guò)濾面積并增加過(guò)濾器的長(zhǎng)度，以滿足使用要求。

3 改造效果

針對(duì)合成氣壓縮機(jī)葉輪和干氣密封損壞情況，采取改造優(yōu)化處理措施后，事故停車次數(shù)減少，降低維修成本，節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)了裝置長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)合成氣壓縮機(jī)干氣密封和葉輪損壞的原因分析，采取了處理防范措施，為今后合成氣壓縮機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了保證。