空分裝置膨脹機轉(zhuǎn)子腐蝕原因分析與預防措施

郭 斌

(中國石油天然氣股份有限公司大慶石化公司，黑龍江 大慶 163711)

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空分裝置膨脹機轉(zhuǎn)子腐蝕原因分析與預防措施

郭 斌

(中國石油天然氣股份有限公司大慶石化公司，黑龍江 大慶 163711)

某廠膨脹機組安裝后，安裝人員未按要求對機組出入口法蘭進行盲板隔離，由于機組軸端采用迷宮式梳齒密封，管道試水壓時膨脹機進水。機殼積水使得轉(zhuǎn)子長時間浸泡在水中發(fā)生電化學腐蝕，在轉(zhuǎn)子表面形成明顯腐蝕坑，造成轉(zhuǎn)子表面金屬損失。分析轉(zhuǎn)子腐蝕機理，通過計算得出腐蝕損耗金屬質(zhì)量對轉(zhuǎn)子動平衡的影響，轉(zhuǎn)子動平衡破壞后將縮短機組長周期平穩(wěn)運行，增加設備維修成本。最后提出機組在安裝、試運過程中應注意的關(guān)鍵事項，確保機組能安全、高效、平穩(wěn)運行。

空分裝置 膨脹機組 轉(zhuǎn)子腐蝕

增壓透平膨脹機組是空分裝置配套的核心，該裝置生產(chǎn)能力為2 500 m3/h氧和6 000 m3/h氮。機組由反式透平膨脹機與增壓機配套組成，空氣進入膨脹機進行絕熱膨脹產(chǎn)生空分裝置所需冷量，同時所產(chǎn)生的膨脹功被與膨脹機裝在同一根軸上的增壓機葉輪吸收利用，提高增壓氣體的壓力。

1 機組主軸腐蝕受損情況

膨脹機組安裝后因工期推遲，該機組長時間未進行試車，裝置開工前依據(jù)GB/T6894—2000 《增壓透平膨脹機技術(shù)條件》要求，打開機組進口管檢查，確保機體內(nèi)部無任何雜質(zhì)及液態(tài)物質(zhì)。打開增壓機入口膨脹節(jié)時發(fā)現(xiàn)入口管路中積水，管道內(nèi)壁有鐵銹、泥沙等雜質(zhì)，后將增壓機、膨脹機進行解體后檢查發(fā)現(xiàn)，增壓機、膨脹機蝸殼內(nèi)積水(見圖1)，機組主軸表面局部出現(xiàn)嚴重腐蝕(見圖2)。清理主軸表面銹蝕產(chǎn)物，腐蝕坑較明顯。該膨脹機工作轉(zhuǎn)速為29 200 r/min(機組其它參數(shù)見表1)，大量腐蝕坑的存在必將影響機組轉(zhuǎn)子動平衡，后廠家人員確定該主軸需返廠維修。

2 主軸銹蝕機理分析

裝置內(nèi)與增壓機相聯(lián)結(jié)管道配管完成后，施工單位對管道進行水壓試驗，水壓試驗前施工人員關(guān)閉增壓機出入口蝶閥與跨線閥門，未按要求在增壓機出、入口法蘭加設盲板。由于該機組軸端采用迷宮式密封，在主軸上加工成型的迷宮式梳齒與巴氏合金的靜環(huán)緊密貼合，組成迷宮式軸封，梳齒密封徑向間隙控制在不大于0.05 mm。正常工況下，軸封內(nèi)必須充有常溫密封氣防止工質(zhì)泄漏，同時防止?jié)櫥托孤┻M入工質(zhì)氣體。

圖1 膨脹機殼下部積水銹跡

圖2 被腐蝕的膨脹機主軸

名稱膨脹機增壓機氣量/(Nm3·h-1)48004800進氣壓/MPa0.7200.575排氣壓/MPa0.1260.745進氣溫度/℃-13416轉(zhuǎn)/(r·min-1)2920029200介質(zhì)空氣空氣調(diào)節(jié)方式可調(diào)噴嘴

由于蝶閥的密封性能較差，試壓水經(jīng)蝶閥進入增壓機蝸殼內(nèi)，當增壓機蝸殼內(nèi)水位達到軸端密封后，此時由于軸封密封氣未投用，試壓水由增壓機軸端密封進入軸承箱內(nèi)(此時回油管路與潤滑油箱處于隔離狀態(tài))，軸承箱內(nèi)水位上升到一定高度后繼續(xù)穿過膨脹機軸端密封進入膨脹機殼體內(nèi)。施工人員發(fā)現(xiàn)機組進水后沒有認識到問題的嚴重性，未采取有效措施進行排水處理，加之該增壓機蝸殼未設計低點排凝閥門，最終試壓水長時間積存在增壓機蝸殼、軸承箱、膨脹機蝸殼內(nèi)無法排出。

膨脹機主軸為40CrNiMoA材質(zhì)(主軸材料化學成分見表2)，當轉(zhuǎn)子長時間處于水浸泡和潮濕的環(huán)境中，轉(zhuǎn)子表面發(fā)生電化學腐蝕，在腐蝕電池中陰極反應主要是氧的還原，陽極反應則是鐵的溶解[1]。電極反應如下：

陽極(Fe)：2Fe-4e = 2Fe2+

陰極(C)：2H2O + O2+ 4e = 4OH-

總反應：2Fe+2H2O+O2= 2 Fe(OH)2

反應生成的Fe(OH)2在含氧環(huán)境中繼續(xù)氧化生成Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3脫水后生成肉眼可見的紅銹Fe2O3。

軸承箱為相對密閉的空間，試壓水長期積存在軸承箱內(nèi)不能排出，使得主軸表面產(chǎn)生大量腐蝕產(chǎn)物，該腐蝕產(chǎn)物長期堆積未能及時清理，形成垢下腐蝕，加之電化學腐蝕存在自催化作用，加速了主軸表面的腐蝕，導致腐蝕越來越嚴重。檢查主軸腐蝕部位可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕僅發(fā)生在單側(cè)的局部腐蝕，該主軸規(guī)格為φ78 mm/φ39 mm×744 mm(見圖1)，主軸中部φ78 mm部分長時間浸泡在水中，形成局部腐蝕，清理主軸表面腐蝕產(chǎn)物后，主軸表面已出現(xiàn)大量腐蝕坑，腐蝕坑深度、面積均不同(見圖3)。

圖3 主軸表面腐蝕物清理前后對比

3 腐蝕對機組轉(zhuǎn)子動平衡的影響

主軸表面腐蝕坑會顯著降低金屬材料的強度、塑性、韌性等力學性能，腐蝕使得主軸質(zhì)量發(fā)生一定變化，且金屬損失部位出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子單側(cè)，會造成轉(zhuǎn)子上的質(zhì)量分布相對于旋轉(zhuǎn)中心線不對稱，破壞膨脹機轉(zhuǎn)子動平衡。

根據(jù)GB/T9239—1988 《剛性轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)》的要求，對該轉(zhuǎn)子許用不平衡量進行核算，由轉(zhuǎn)子許用不平衡量作為參考以判定該轉(zhuǎn)子是否需要返廠修復。

許用不平衡量Uper的計算公式如下[2]：

Uper=M·G×60×103/(2π·r·n)(g·mm)

式中:M為轉(zhuǎn)子的自身質(zhì)量,kg；G為轉(zhuǎn)子的平衡精度等級,mm/s；r為轉(zhuǎn)子的校正半徑,mm；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,r/min。

校正平面的許用不平衡質(zhì)量m，由轉(zhuǎn)子許用不平衡量Uper與不平衡質(zhì)量m和校正半徑r的關(guān)系Uper=m·r可以計算出該轉(zhuǎn)子許用不平衡質(zhì)量m=M·G×60×103/(2π·r·n)

膨脹機組轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量M為10 kg，平衡精度等級G為2.5，轉(zhuǎn)子校正半徑r為39 mm，膨脹機工作轉(zhuǎn)速n為29 200 r/min，計算后得出該轉(zhuǎn)子許用不平衡質(zhì)量：m=10×2.5×60×103/(2π×39×29 200)=0.21 g

依據(jù)機組許用不平衡質(zhì)量的計算可知，該機組動平衡品質(zhì)等級要求極高，腐蝕坑導致轉(zhuǎn)子質(zhì)量發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)后使通過轉(zhuǎn)子重心的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不相重合，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡離心力。該不平衡離心力是周期性的離心干擾力，在軸承上產(chǎn)生動載荷，使機組發(fā)生振動。轉(zhuǎn)子因不平衡而產(chǎn)生的離心慣性力，方向會隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而不斷的周期性改變，因而主軸的旋轉(zhuǎn)中心位置不斷變化，離心慣性力周期性的作用在軸上，使軸產(chǎn)生振動。

轉(zhuǎn)子離心慣性力F是一個向量[3]，

F=G·e·n2/900

式中:F為離心慣性力，N；G為總質(zhì)量，kg；e為偏心距，m；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

由離心慣性力計算公式可知，膨脹機在29 200 r/min高速運轉(zhuǎn)過程中，因轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心之間偏心距的變化，轉(zhuǎn)子離心力將會發(fā)生巨大變化。

F=G·e·n2/900=10×e×29 2002/900=9.5×106e，轉(zhuǎn)子離心慣性力會通過主軸作用在軸承上，使得軸承承受附加動載荷，導致機組運行工況惡化。

機組動平衡破壞后會產(chǎn)生以下不良后果：

(1)機組運行噪聲超標，轉(zhuǎn)子的振動能量會通過軸承、基座傳遞到基礎和建筑物上，惡化工作環(huán)境；

(2)振動導致軸承動載荷過大、溫度過高，軸端密封加速磨損，過早的損壞軸承及密封，降低機組的使用壽命和效率；

(3)振動值超標觸發(fā)機組聯(lián)鎖停車，造成空分系統(tǒng)生產(chǎn)波動；

(4)引起轉(zhuǎn)子的反復彎曲和內(nèi)應力，這種彎曲和內(nèi)應力會引起轉(zhuǎn)子疲勞，造成重大事故。

綜合分析后判定該轉(zhuǎn)子需返廠修復腐蝕坑，進行高速動平衡校驗合格后，轉(zhuǎn)子才能回裝。增壓機出入口碳鋼管道長時間積水，內(nèi)表面出現(xiàn)銹蝕，建議對管道進行化學清洗，徹底清除內(nèi)壁腐蝕物，保證機組安全運行。

4 機組使用注意事項

(1)機組現(xiàn)場存放及安裝期間，機組出入口管法蘭、儀表、電氣、密封氣、水接頭應有效隔斷，進出口、軸端密封氣管路作為重點盲斷部位。機組進出口管路系統(tǒng)試壓、吹掃之前，必須確認機組進、出口法蘭用盲板隔離，防止雜物進入機組損壞設備。機組管路吹掃后還應拆開增壓機入口過濾器，檢查過濾器及前、后管路清潔度是否合格。

(2)機組安裝后長時間未運行，應確保潤滑油系統(tǒng)正常運行，防止轉(zhuǎn)動部件出現(xiàn)銹蝕，同時軸端密封氣應正常投用，以阻止液態(tài)物質(zhì)進入機組。

(3)針對不同地域不同氣候環(huán)境，機組關(guān)鍵部件應采用耐腐蝕性能較好的材料，提高設備抗腐蝕性能，防止機組零部件頻繁損壞。因為膨脹機轉(zhuǎn)動零部件出現(xiàn)故障更換時，轉(zhuǎn)子需進行整體動平衡試驗，會造成巨大的經(jīng)濟損失。

(4)增壓機殼體應設置低點排凝閥門，開機前打開該閥門檢查機殼內(nèi)是否有凝液，防止機組異常狀態(tài)帶液量過大損壞設備。

(5)加強設備操作人員的專業(yè)技能培訓，操作人員應熟悉設備結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握設備停開機步驟與注意事項，防止因人操作失誤造成設備損壞。

5 結(jié)束語

本次機組轉(zhuǎn)子損壞的直接原因是作業(yè)人員未按施工標準和要求進行施工作業(yè)所致，膨脹機屬于高速精密機械設備，對工質(zhì)清潔度、操作條件要求極其苛刻。機組能否安全平穩(wěn)運行，首先在安裝過程中應嚴格執(zhí)行膨脹機API617標準與機組廠家提供的安裝使用說明書；其次機組配套可靠的安全聯(lián)鎖保護裝置，開車前進行聯(lián)鎖校驗，保證聯(lián)鎖正常投用；最后操作人員應學習掌握設備操作說明書，按照操作說明書正確操作設備、準確判斷設備故障，確保機組在設計工況下安全運行；以上條件同時滿足時才能保證機組安全、高效、可靠運行。

[1] 周本省.工業(yè)冷卻水系統(tǒng)中金屬的腐蝕與防護[M].北京：化學工業(yè)出版社，1993: 28 .

[2] 國家機械工業(yè)委員會. 剛性轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)許用不平衡的確定：GB9239——1988[S]. 北京：機械工業(yè)出版社，1989: 9.

[3] 王福利.壓縮機組[M].北京：中國石化出版社，2007：487.

(編輯 王菁輝)

Analysis of Corrosion Failure of Turbo-expander Rotor in Air Separation Plant and Prevention

GuoBin

(PetroChinaDaqingPetrochemicalCompany,Daqing163711，China)

In the installation of expander train, the installation people did not isolate inlet and outlet of the expander with blind plate. As the comb labyrinth tooth seal was applied in the train shaft end, water flowed into the pipe expander during the pressure test. The water in the casing causes the rotor’s electrochemical corrosion, formation of corrosion pits in the surface of the rotor and local metal loss. The corrosion mechanisms of rotor were analyzed, and the impact of metal loss from corrosion on the dynamic balance of the rotor was calculated. The long-term stable operation of the expander train would be shortened and maintenance cost of equipment would be increased after the damages of the dynamic balance of the rotor. The precautions in the installation and test run of the expander train are presented to ensure the safe stable operation of the expander train at high efficiency.

air separation unit, expander train, rotor corrosion

2016-05-21；修改稿收到日期：2016-06-28。

郭斌，助理工程師，本科，現(xiàn)從事催化重整裝置設備管理工作。E-mail：guob-ds@petrochina.com.cn