重整氫增壓機(jī)故障分析及解決方案

孫國(guó)民

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司芳烴廠，遼寧遼陽(yáng) 111003）

0 引言

重整氫增壓機(jī)為50萬(wàn)t/a連續(xù)重整裝置氫氣外送增壓機(jī)組，是重整裝置的核心設(shè)備。機(jī)組型號(hào)4M50-145/5-13.5-64/12.2-31.5-BX，轉(zhuǎn)速300r/min，軸功率3260kW，結(jié)構(gòu)形式為四列二段對(duì)稱平衡型往復(fù)壓縮機(jī)。

機(jī)組所在裝置于1996年建成投產(chǎn)，1999年進(jìn)行了擴(kuò)能改造，重整處理能力由原設(shè)計(jì)的40萬(wàn)t/a，擴(kuò)能至50萬(wàn)t/a。擴(kuò)能改造涉及壓縮機(jī)部分為一段、二段缸徑擴(kuò)大及二段十字頭部件適應(yīng)性改造等，配套再接觸系統(tǒng)只對(duì)重整產(chǎn)氫水冷器和一段再接觸水冷器管束型式由原U型管式更換為高效螺紋管式，增加了部分換熱面積。

長(zhǎng)期以來(lái)，由于上游原料不足等原因，該套重整裝置一直在65%的較低負(fù)荷下運(yùn)行，2014年4月—2016年9月，裝置處于停產(chǎn)狀態(tài)。2017年以來(lái)，重整原料充足，裝置持續(xù)在（58～60）t/h進(jìn)料的高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，機(jī)組出現(xiàn)了頻繁故障及檢修現(xiàn)象。

1 故障現(xiàn)象

2014年以前，機(jī)組嚴(yán)格執(zhí)行計(jì)劃?rùn)z修，主要檢修內(nèi)容為吸排氣閥、托瓦、活塞環(huán)等易損件的更換，檢修周期通常為80d左右。自2017年起，K201機(jī)組反復(fù)發(fā)生30余次排氣溫度突升的現(xiàn)象，機(jī)組平均運(yùn)行周期只有10d左右。以8月27日故障的過(guò)程為例，控制室K201B二段一號(hào)缸排氣溫度在15min內(nèi)由100℃突升至115℃，其他溫度無(wú)變化，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢查確定二段一號(hào)氣缸的缸頭側(cè)2臺(tái)排氣閥表面溫度125℃，其他氣閥溫度正常，無(wú)其他活塞環(huán)、運(yùn)動(dòng)部件等故障現(xiàn)象。切換檢修該2臺(tái)氣閥，發(fā)現(xiàn)氣閥閥片邊沿碎裂，更換后切換運(yùn)行，排氣溫度恢復(fù)正常（圖1）。

圖1 機(jī)組排氣溫度變化趨勢(shì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，機(jī)組故障及運(yùn)行周期變化有明顯的時(shí)期界限，2017年初，重整裝置開始滿負(fù)荷運(yùn)行，2017之前為低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)。設(shè)備的故障變化與工藝系統(tǒng)負(fù)荷變化有明顯關(guān)聯(lián)性。2017年5月18日，K201B突然振動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)，檢查發(fā)現(xiàn)二段一號(hào)缸體處兩根連桿螺栓斷裂，連桿彎曲變形，曲軸瓦徑被斷裂的連桿螺栓撞傷，近曲軸側(cè)十字頭上、下滑道被連桿撞損約160mm，機(jī)身蓋板變形，機(jī)身蓋板螺栓孔損壞，主軸瓦供油管損壞等嚴(yán)重的設(shè)備部件損傷事故，見(jiàn)圖2。

圖2 連桿變形及連桿螺栓損壞情況

2 原因分析

經(jīng)調(diào)研，重整裝置的重整氫往復(fù)增壓機(jī)組普遍存在帶液現(xiàn)象，但像該機(jī)組這樣帶液如此嚴(yán)重的極其少見(jiàn)。在機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，在一段和二段入口管線聚液罐低點(diǎn)排放處均能排出大量液體，特別是二段入口的聚液罐在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行下平均每半小時(shí)能排出約1000mL的液體。分析入口管線聚液罐處采集的氣、液相組成，確定其液相組份與重整生成油組份相同，氣相內(nèi)氫氣含量較高，達(dá)到93%，其他為C5以下輕烴。基本可以確定機(jī)組帶液來(lái)源于氫氣提純降溫的再接觸系統(tǒng)。在工藝流程中重整氫氣與重整生成油混合后進(jìn)入再接觸分離罐，油氣分離后氫氣由分離罐頂進(jìn)入壓縮機(jī)入口。因裝置擴(kuò)能后分離設(shè)備不配套以及分離罐內(nèi)破沫網(wǎng)失效等原因，導(dǎo)致油氣不能有效分離而進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)。

2.1 排氣溫度異常上升

在拆檢排氣溫度異常的氣閥時(shí)發(fā)現(xiàn)閥片密封面附著大量結(jié)焦物質(zhì)以及氣閥彈簧粘滯，導(dǎo)致氣閥閥片不能有效開啟或不能平衡閉合，邊沿受力不均而碎裂。工藝介質(zhì)從閥片破損部位反復(fù)通過(guò)摩擦，使排氣溫度快速升高，氣閥及閥片的帶液情況見(jiàn)圖3。

2.2 托瓦、活塞環(huán)加劇磨損，壽命縮短

由于機(jī)組大量帶液，在活塞運(yùn)行過(guò)程中，磨損下來(lái)的碎屑與積液結(jié)焦匯聚于托瓦或活塞環(huán)間隙處，影響托瓦及活塞環(huán)在氣缸套內(nèi)自由著床，并造成托瓦、活塞環(huán)卡滯在固定位置，導(dǎo)致托瓦、活塞環(huán)局部磨損嚴(yán)重或出現(xiàn)變形斷裂的情況。2017年裝置滿負(fù)荷運(yùn)行后，機(jī)組托瓦、活塞環(huán)故障頻繁（圖4），其平均壽命在40d左右。

圖3 部件

2.3 長(zhǎng)期帶液運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組受力部件嚴(yán)重破壞的原因分析

在對(duì)5月18日K201B機(jī)組部件嚴(yán)重?fù)p傷的分析中了解到，失效的二段連桿螺栓首次安裝日期為2012年6月8日，已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行了10595h（使用壽命 16000h）；螺栓材料為35CrMoA鋼。二段連桿部件首次安裝日期為2013年9月25日，已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行5730h；連桿材料35鋼，見(jiàn)圖5。

在對(duì)斷裂螺栓斷口宏觀、低倍分析；螺栓材料分析；螺栓金相分析等一系列的分析后，得出結(jié)論認(rèn)為，

連桿是活塞與曲軸的連接件。曲軸在電機(jī)作用下旋轉(zhuǎn)并通過(guò)連桿傳遞力矩，使活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的目的。在工作狀態(tài)下，連桿本身承受著交變載荷。此時(shí)，最大的拉應(yīng)力產(chǎn)生于連桿本身靠近大頭部位。由于連桿大頭是用連桿螺栓緊固在曲軸上，連桿受到的各種作用力均會(huì)傳遞到連桿螺栓上。因此，連桿螺栓所受的力為螺栓初始預(yù)緊力和氣體壓縮過(guò)程中連桿傳遞過(guò)程的活塞力，即連桿螺栓所承受的負(fù)荷為交變拉應(yīng)力。1號(hào)連桿螺栓的斷裂位置是在螺栓中部凸肩配合（定位）環(huán)的過(guò)渡圓角處。1號(hào)連桿螺栓斷口的裂紋源附近還有多條與斷口平行的裂紋存在，表明螺栓表面這個(gè)部位存在著嚴(yán)重的應(yīng)力集中。在交變拉應(yīng)力的作用下，疲勞裂紋就會(huì)萌生在螺栓表面，并不斷地向螺栓內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度即使螺栓的有效承載截面小到不足以承受工作載荷時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致螺栓的完全斷裂。因此，1號(hào)連桿螺栓斷裂為典型的疲勞斷裂。2號(hào)連桿螺栓的斷裂位置和斷口形狀可看出該螺栓斷裂為拉伸過(guò)載韌性斷裂。即當(dāng)1號(hào)螺栓疲勞斷裂后，使2號(hào)螺栓承受的載荷迅速增加，進(jìn)而造成2號(hào)螺栓的嚴(yán)重過(guò)載，發(fā)生塑性變形并出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，直至其最后被拉斷。因此，2號(hào)連桿螺栓的斷裂為典型的拉伸過(guò)載韌性斷裂。

最終，認(rèn)定機(jī)組長(zhǎng)期帶液運(yùn)行，由于液體的不可壓縮性，使連桿螺栓所承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致連桿螺栓在沒(méi)有達(dá)到使用壽命的情況下突然疲勞斷裂，機(jī)組嚴(yán)重受損。

3 解決方案

（1）在原壓縮機(jī)一段、二段入口管線電伴熱的基礎(chǔ)上，增設(shè)1MPa蒸汽伴熱，在保證排氣溫度可控前提下盡量提升該段氣流的溫度，減少進(jìn)氣凝液的產(chǎn)生。

圖4 托瓦、活塞環(huán)卡滯及損壞

圖5 連桿螺栓斷裂狀況

（2）增加壓縮機(jī)氣缸止點(diǎn)間隙。在修復(fù)K201B時(shí),已通過(guò)加工缸座及缸蓋的方式，將一段止點(diǎn)間隙由8mm調(diào)整至15mm，二段止點(diǎn)間隙由3mm調(diào)整至10mm，通過(guò)熱動(dòng)力計(jì)算及機(jī)組實(shí)際運(yùn)行結(jié)果看，可有效緩解機(jī)組帶液現(xiàn)象。

（3）經(jīng)過(guò)對(duì)入口帶液組成分析，清楚了液體來(lái)源，通過(guò)改進(jìn)工藝流程，切除再接觸系統(tǒng)液相，在再接觸系統(tǒng)一段混氫點(diǎn)前接引三通及DN100管線，連接至D202液位控制閥LV2003閥后，原進(jìn)D202液相物料直接經(jīng)E206進(jìn)C200，同時(shí)接引從LV2003閥后去LV2002閥后DN50管線用于D202排液。

通過(guò)將二段再接觸分離罐D(zhuǎn)203的液相旁通，使液相不與氫氣混合，徹底切除壓縮機(jī)入口氫氣中的液相來(lái)源。工藝流程改變前后分別見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 工藝流程改變前

圖7 工藝流程改變后

4 結(jié)論

（1）1年來(lái)，K201A/B累計(jì)檢修31次，更換吸氣閥58臺(tái)次，更換排氣閥139臺(tái)次；平均不到2個(gè)月更換一次托瓦、活塞環(huán)，特別是5月份發(fā)生的K201B連桿螺栓斷裂事故，檢修歷時(shí)50余天。全年該機(jī)組疲于切換、頻于檢修，嚴(yán)重影響了裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）為徹底解決機(jī)組帶液造成的頻繁故障，經(jīng)過(guò)深入調(diào)研論證，對(duì)機(jī)組及系統(tǒng)進(jìn)行了一系列可行的改動(dòng)，特別是利用停車窗口機(jī)會(huì)，對(duì)各高分罐的破沫網(wǎng)進(jìn)行了更換，更為重要的是改變工藝流程，變兩段再接觸為一段再接觸，將液相來(lái)源徹底切除。通過(guò)上述解決方案的實(shí)施，在機(jī)組一段入口管線聚液罐低點(diǎn)排放處仍有極少量氣液夾帶，而二段入口管線聚液罐低點(diǎn)排放處沒(méi)有任何液體排出，系統(tǒng)帶液現(xiàn)象明顯改善。

（3）截至目前，該機(jī)組單臺(tái)已穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)月，在對(duì)機(jī)組的計(jì)劃?rùn)z修中發(fā)現(xiàn)，帶液現(xiàn)象基本消除。下一步，將擇機(jī)實(shí)施加高加大高分罐尺寸，采用高效除霧器；增加段間冷卻器換熱面積，提升換熱效果的措施，徹底解決往復(fù)機(jī)組帶液?jiǎn)栴}，確保重整裝置核心設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］沈慶根，鄭水英.設(shè)備故障診斷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］楊國(guó)安.機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2007.