膨脹透平增壓機(jī)膨脹側(cè)止推瓦燒損原因分析及防范

丁 毅 ，張育林

（1．蘭州石化公司；2.蘭州中凱工貿(mào)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭 州 7 30060）

蘭州石化公司化肥廠是蘭州石化公司集有機(jī)、無機(jī)化工產(chǎn)品于一體的綜合性分廠。膨脹透平增壓機(jī)是合成氨裝置的關(guān)鍵設(shè)備，主要作用是為氮?dú)鈮嚎s機(jī)增壓。該機(jī)由德國ATLASCOPCO公司制造，型號(hào)為ETB150NS。

2007年7～8月，B膨脹透平增壓機(jī)因打量不足進(jìn)行了大修，更換了膨脹側(cè)軸承及三件軸封。2008年4月2日凌晨因突然停電造成整個(gè)化肥裝置停車。在恢復(fù)開車過程中，停電前在用的B膨脹透平增壓機(jī)（該機(jī)A、B兩臺(tái)一開一備）開啟后，膨脹側(cè)止推瓦溫度高聯(lián)鎖跳車，瞬間瓦溫高達(dá)180℃。該處瓦溫正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)為75～95℃。在檢修過程中，發(fā)現(xiàn)增壓側(cè)止推瓦完好，而膨脹側(cè)止推瓦八個(gè)瓦塊均燒損變色，平均減薄超過1mm，兩側(cè)徑向瓦也有不同程度的磨損，五處軸封石墨環(huán)均破損，需全部更換。另轉(zhuǎn)子膨脹側(cè)止推面磨損嚴(yán)重，需修復(fù)。本次檢修的備件費(fèi)用高達(dá)二三十萬元，給化肥廠造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，為今后減少或杜絕此類事故的發(fā)生，特對(duì)膨脹透平增壓機(jī)膨脹側(cè)止推瓦燒損原因進(jìn)行了探討。

一、膨脹透平增壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡介

膨脹透平增壓機(jī)基本為筒形缸體，膨脹與增壓兩側(cè)缸體由中間軸承支架聯(lián)接。設(shè)計(jì)正常轉(zhuǎn)速為29 300r/m。膨脹側(cè)入口裝有噴嘴，以調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。膨脹側(cè)與增壓側(cè)共用一根軸，兩端各有一級(jí)葉輪，相互對(duì)排，均為閉式結(jié)構(gòu)，由鋁合金制成。膨脹側(cè)有兩組軸密封，增壓側(cè)有三組軸密封，該密封外部為鉻鋼，內(nèi)部鑲有填充石墨環(huán)，有非常高的安裝質(zhì)量要求（安裝間隙0.075～0.12mm）。軸封間通有密封氮?dú)猓苡行Х乐褂蜌庀嗷バ孤?。在軸中間軸肩兩側(cè)各有一個(gè)徑向止推聯(lián)合軸承，能同時(shí)起到支撐與止推作用，其結(jié)構(gòu)見圖1。

二、膨脹透平增壓機(jī)轉(zhuǎn)子軸向推力的分析及計(jì)算

根據(jù)機(jī)組DCS控制終端及當(dāng)班巡檢記錄顯示，機(jī)組潤滑油泵出口油壓平穩(wěn)正常，回油視鏡中流量連續(xù)穩(wěn)定，首先排除了由于潤滑油系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致燒瓦的可能。根據(jù)增壓側(cè)止推瓦完好而膨脹側(cè)止推瓦磨損嚴(yán)重的事故現(xiàn)狀，初步判斷是轉(zhuǎn)子的軸向力平衡不好造成的。

由于葉輪的輪盤和輪蓋兩側(cè)所受的氣體作用力不同，相互抵消后，還會(huì)剩余部分軸向力作用于轉(zhuǎn)子，所有葉輪軸向力之向量和就是整個(gè)轉(zhuǎn)子的軸向推力。轉(zhuǎn)子的軸向推力經(jīng)平衡后，剩下的軸向推力由止推軸承來承擔(dān)。如果推力過大會(huì)影響軸承壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成軸瓦燒損，引起轉(zhuǎn)子位移過大，造成轉(zhuǎn)子與靜止部件的嚴(yán)重碰撞。因此，根據(jù)止推瓦及軸密封的破壞狀況，有必要對(duì)膨脹透平增壓機(jī)轉(zhuǎn)子軸向推力進(jìn)行驗(yàn)算。

1.在正常生產(chǎn)工況下轉(zhuǎn)子軸向推力計(jì)算

（1）膨脹側(cè)轉(zhuǎn)子軸向推力計(jì)算

葉輪兩側(cè)氣體壓力分布情況見圖2。軸向推力計(jì)算公式為：

式中：D1、D2、dM——相應(yīng)部位直徑，m；

P2——葉輪進(jìn)口氣體絕對(duì)壓力，Pa；

ρ1、ρ2——葉輪出口、進(jìn)口氣體密度，kg/m3；

ρM——葉輪輪盤、輪蓋兩側(cè)空腔中的氣體密度，kg/m3，可取ρM=1/2（ρ1+ρ2）；

u2——葉輪進(jìn)口氣體圓周速度，m/s。

參數(shù)如下：入口流量Q=33 000Nm3/h，轉(zhuǎn)速n=29 300r/m，入口壓力P2=2.06MPa，入口溫度T2=157.7K，出口壓力P1=0.68MPa，出口溫度T1=97.98K，D1=108.8mm=0.1088m， D2=150mm=0.15m， dM≈dj=55.6 mm=0.0556m，ρ2=P2/ZRT2，其中Z——?dú)怏w壓縮因子，當(dāng)壓力＜5.0MPa，可取Z=1；R——?dú)怏w常數(shù)，R=296.7J/kg·K；代入計(jì)算得ρ2=44 kg/m3。ρ1=P1/ZRT1=22.9kg/m3，ρM=33.45kg/m3，u2=πD2n/60=230m/s。將上述數(shù)值代入式(1)，得F膨=13 135.2N。

（2）增壓側(cè)轉(zhuǎn)子軸向推力計(jì)算

葉輪兩側(cè)氣體壓力分布情況見圖3。軸向推力計(jì)算公式為：

式中：D1、D2、dM、dj——相應(yīng)部位直徑，m；

P1、P2——葉輪進(jìn)、出口氣體絕對(duì)壓力，Pa；

ρ1、ρ2——葉輪進(jìn)、出口氣體密度，kg/m3；

ρM——葉輪輪盤、輪蓋兩側(cè)空腔中的氣體密度，kg/m3，可取ρM=1/2（ρ1+ρ2）；

u2——葉輪出口氣體圓周速度，m/s；

G——?dú)怏w質(zhì)量流量，kg/s；

C1Z——葉輪進(jìn)口氣體絕對(duì)速度，m/s。

參數(shù)如下：入口流量Q1=33 200Nm3/h，轉(zhuǎn)速n=29 300r/m，入口壓力P1=3.413MPa，入口溫度T1=313K，出口壓力P2=4.778MPa，出口溫度T2=353.6K，D1=103.8mm=0.103 8m，D2=180mm=0.18m，dM≈dj=69.3 mm=0.069 3m，ρ1=P1/ZRT1=36.75 kg/m3， ρ2=P2/ZRT2=45.54 kg/m3， ρM=1/2（ρ1+ρ2）=41.15kg/m3，u2=πD2n/60=276m/s，G=Q1×ρ1=11.54 kg/s，C1Z=Q1/S，由S=1/4π（D12-DM2），得C1Z=66.78m/s。將上述數(shù)值代入式 （2），得F增=4 230N。

（3）整個(gè)轉(zhuǎn)子軸向推力計(jì)算

轉(zhuǎn)子軸向推力分布見圖4。

整個(gè)轉(zhuǎn)子軸向推力為兩側(cè)推力的向量和：F=F膨-F增=8 905.2N。由此可知，在正常生產(chǎn)工況下轉(zhuǎn)子所受的軸向推力為8 905.2N。有資料記載，轉(zhuǎn)子上應(yīng)保留10 000N的軸向力，否則將引起轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)。該值基本接近10 000N，而且根據(jù)A膨脹透平增壓機(jī)良好的運(yùn)行狀況，可知膨脹透平增壓機(jī)在正常生產(chǎn)工況下的軸向推力符合要求。

2.在開停車等非正常狀況下轉(zhuǎn)子軸向推力計(jì)算

在2007年7～8月對(duì)膨脹透平增壓機(jī)的檢修中，由于備件原因，膨脹側(cè)徑向瓦實(shí)際安裝間隙為0.20mm，而要求安裝間隙為0.14～0.16mm。在開車過程中，由于未按試運(yùn)轉(zhuǎn)要求進(jìn)行操作，膨脹機(jī)軸振動(dòng)值一度超標(biāo)以致聯(lián)鎖跳車。這些都會(huì)對(duì)軸密封造成損害，導(dǎo)致軸密封間隙增大，據(jù)測量，這批更換下來的軸密封平均間隙為0.60mm，比要求間隙增大5～8倍。在這種情況下，轉(zhuǎn)子的軸向推力肯定會(huì)有變化。以下對(duì)變化后的軸向力進(jìn)行計(jì)算。

（1）膨脹側(cè)轉(zhuǎn)子軸向推力計(jì)算

葉輪兩側(cè)氣體壓力分布情況見圖2。輪盤側(cè)氣體壓力變?yōu)镻2'。軸向推力計(jì)算公式為：

式中：P2'——葉輪輪盤側(cè)氣體壓力。其他參數(shù)意義同式（1）。

參數(shù)如下：入口流量Q=17 500Nm3/h，轉(zhuǎn)速n=26 200r/m，入口壓力P2=1.13MPa，入口溫度T2=163.3K，出口壓力P1=0.606MPa，出口溫度T1=101.76K，因輪盤側(cè)空腔中氣體速度呈線性增加，那么可假設(shè)氣體壓力呈線性降低，因此可取P2’=1/2，P2=0.565MPa。ρ1=P1/ZRT1=20.07kg/m3，ρ2=P2/ZRT2=23.32 kg/m3，ρM=1/2（ρ1+ρ2）=21.7 kg/m3，u2=πD2n/60=205.67 m/s，將上述數(shù)值代入式 （3），得F膨'=-2 337N。

（2）增壓側(cè)轉(zhuǎn)子軸向推力計(jì)算

葉輪兩側(cè)氣體壓力分布情況見圖3，輪盤側(cè)氣體壓力變?yōu)镻2'。軸向推力計(jì)算公式為：

式中：P2'——為葉輪輪盤側(cè)氣體壓力。其他參數(shù)意義同式（2）。

參數(shù)如下：入口流量Q1=17 700Nm3/h，轉(zhuǎn)速n=26 200 r/m，入口壓力P1=3.033MPa，入口溫度T1=313K，出口壓力P2=4.107MPa，出口溫度T2=351.9K，P2'=1/2 P2=2.054 MPa。ρ1=P1/ZRT1=32.66 kg/m3， ρ2=P2/ZRT2=39.34 kg/m3， ρM=1/2（ρ1+ρ2）=36 kg/m3，u2=πD2n/60=246.8 m/s，G=Q1×ρ1=6.15 kg/s，C1Z=Q1/S，由S=1/4π（D12-DM2），得C1Z=40.1 m/s。將上述數(shù)值代入式（4），得F增'=-45 317N。

(3)整個(gè)轉(zhuǎn)子軸向推力計(jì)算

轉(zhuǎn)子軸向推力分布見圖4，F(xiàn)'=F膨'-F增'=42 980N，該值遠(yuǎn)大于10 000N。由此，機(jī)動(dòng)處和化肥廠機(jī)動(dòng)科以及維修保運(yùn)單位技術(shù)人員得出一致結(jié)論：由于軸密封間隙超標(biāo)，使得泄漏量增大，造成軸向推力增加。加之突然停電時(shí)系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，進(jìn)一步加劇了軸向力的不平衡，最終造成轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)，止推瓦燒損，軸密封破壞。

通過膨脹透平增壓機(jī)轉(zhuǎn)子在兩種工況下軸向推力計(jì)算結(jié)果可以看出，在正常穩(wěn)定運(yùn)行工況下，止推軸承所受推力較小，而在軸封間隙增大且開、停車過程中軸承所受推力非常大。

三、減少事故的措施及效果

①嚴(yán)格把好備件質(zhì)量關(guān)，不用不符合要求的備件。②對(duì)檢修人員進(jìn)行培訓(xùn)，提高檢修和安裝的水平；嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格按安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，精度一定要達(dá)到要求。③嚴(yán)格按操作規(guī)程操作，特別是在檢修完試車時(shí)，嚴(yán)格按以下步驟執(zhí)行：關(guān)閉主切斷閥，噴嘴全開。稍開主切斷閥使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來，把轉(zhuǎn)速控制在最小，維持幾分鐘，然后關(guān)閉主切斷閥使其停轉(zhuǎn)。重復(fù)這個(gè)操作，轉(zhuǎn)速提高一些。運(yùn)轉(zhuǎn)5min后使其停轉(zhuǎn)。這樣，原先加熱過的石墨密封得以降溫。5min后再試一下透平。逐漸提高轉(zhuǎn)速，5～10min后使轉(zhuǎn)速達(dá)到操作時(shí)的轉(zhuǎn)速，然后透平才可以加載。④為潤滑油泵P3467B配接事故電源。

由于采取了上述措施，在排除此次故障后1年多時(shí)間里，膨脹透平增壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，沒有再發(fā)生同樣的問題。