膨脹機(jī)核心部件國(guó)產(chǎn)化的研究與應(yīng)用

付少東

摘 要：本文針對(duì)天然氣處理廠核心機(jī)組—膨脹機(jī)的核心部件軸承、葉輪、轉(zhuǎn)子、噴嘴等故障率不斷升高，嚴(yán)重影響天然氣處理裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，提出用國(guó)產(chǎn)部件替代進(jìn)口部件的方案，旨在實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)檢修備件及時(shí)供應(yīng)，降低材料成本，減少葉輪、軸承等部件的故障率，延長(zhǎng)設(shè)備檢修周期，確保膨脹機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：膨脹機(jī);軸承;葉輪;轉(zhuǎn)子;噴嘴

1 項(xiàng)目概況

天然氣處理廠主要從事石油伴生氣的處理，有兩套油田伴生氣中壓深冷處理裝置，單套裝置設(shè)計(jì)日處理能力為80～120萬(wàn)標(biāo)方。兩套裝置中的核心機(jī)組--膨脹機(jī)，是通過(guò)旋轉(zhuǎn)工作輪，使氣體膨脹對(duì)外作功而產(chǎn)生冷量的機(jī)械（即利用氣體流動(dòng)時(shí)速度的變化來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，氣體在透平膨脹機(jī)的通流部分中膨脹獲得動(dòng)能，并由工作輪軸輸出外功降低膨脹機(jī)出口氣體的內(nèi)能和溫度）。由于油田產(chǎn)能的不斷衰減，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了原設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)原料氣中CO2含量逐漸升高，致使膨脹機(jī)軸承、葉輪、轉(zhuǎn)子、噴嘴等核心部件的故障率不斷提升，嚴(yán)重影響了兩套裝置膨脹機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2 存在問(wèn)題

2.1 軸承振動(dòng)高，更換頻率快

兩套裝置中的膨脹機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中兩端軸承振動(dòng)值高，一期膨脹機(jī)軸承振動(dòng)值高至32.4um（軸承振動(dòng)值20um報(bào)警，38um停機(jī)），二期膨脹機(jī)軸承振動(dòng)值高至30.3um（軸承振動(dòng)值25um報(bào)警，40um停機(jī)）。機(jī)組運(yùn)行半年需對(duì)軸承進(jìn)行更換，軸承更換周期極大的縮短。

2.2 葉輪附著臟污，損壞快

膨脹機(jī)檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)膨脹機(jī)的葉輪流道里附著大量泥垢，葉輪背部以及葉輪流道從平衡孔以后殘留黑色痕跡，甚至葉輪有不同程度的損傷，導(dǎo)致機(jī)組效率低，需對(duì)增壓輪和膨脹輪進(jìn)行更換，轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡測(cè)試。

2.3 進(jìn)口備件費(fèi)用高，周期長(zhǎng)

進(jìn)口備件在國(guó)外正常加工周期為4-6個(gè)月，周期長(zhǎng)，費(fèi)用為國(guó)產(chǎn)備件的好幾倍;購(gòu)買備件需進(jìn)行訂購(gòu)，訂購(gòu)周期很長(zhǎng)。若提前儲(chǔ)存?zhèn)浼t占用大量資金，不儲(chǔ)存?zhèn)浼t無(wú)法保證膨脹機(jī)正常檢修周期和突發(fā)事件的處理。

3 核心部件國(guó)產(chǎn)化方案的確定

3.1 軸承的國(guó)產(chǎn)化方案

①軸承材料的選擇。進(jìn)口軸承材料用的是20號(hào)鋼，硬度高，軸承損壞的同時(shí)造成膨脹機(jī)軸的損傷，國(guó)產(chǎn)軸承材料采用的是巴氏合金，硬度比20號(hào)鋼偏軟，軸承損傷不會(huì)造成軸的損壞，軸承材料可以選擇巴氏合金;②軸承止推面的改進(jìn)。機(jī)組運(yùn)行時(shí)推力差偏高，拆解機(jī)組時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承止推面接觸不均勻，止推面接觸面積不足，需增大止推面，與國(guó)內(nèi)膨脹機(jī)廠家結(jié)合，可以將軸承止推面擴(kuò)大，并經(jīng)過(guò)軟件模擬得出止推面接觸面積大于80%時(shí)推力差滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

3.2 葉輪的國(guó)產(chǎn)化方案

目前氣量低、氣質(zhì)貧且CO2含量高，葉輪壓力面負(fù)壓點(diǎn)增多，降低了使用壽命，需要對(duì)葉輪流道進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，修復(fù)負(fù)壓點(diǎn)，減少流道損失。同時(shí)需要對(duì)葉輪進(jìn)行精確測(cè)量，保證加工的葉輪與進(jìn)口葉輪尺寸一致。這些要求國(guó)內(nèi)廠家可以完成，他們可以利用軟件進(jìn)行模擬、分析和設(shè)計(jì)，達(dá)到葉輪工作的要求。

3.3 轉(zhuǎn)子的國(guó)產(chǎn)化方案

轉(zhuǎn)子由葉輪和軸組成，轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速需遠(yuǎn)離其固有頻率，確保工作轉(zhuǎn)速都在轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)下，這樣機(jī)組啟、停操作和運(yùn)轉(zhuǎn)才安全。尤其是當(dāng)今膨脹機(jī)已不在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，需要重新對(duì)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行固頻分析和推力計(jì)算，通過(guò)固頻測(cè)試臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行固有頻率測(cè)試，然后依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)加工轉(zhuǎn)子。這些要求國(guó)內(nèi)廠家可以完成。

4 取得的主要技術(shù)創(chuàng)新成果

4.1 軸承

軸承是膨脹機(jī)首先進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造的部件。①軸承的材料采用硬度軟的巴氏合金襯里，避免了軸承的損壞導(dǎo)致軸的損傷;②止推軸承與軸的徑向止推面的接觸面反復(fù)刮研對(duì)磨，使它們的接觸面積大于80%，油溝光滑無(wú)毛刺，邊緣無(wú)缺口，確保良好的止推性;③徑向軸承和軸頸的接觸面反復(fù)刮研對(duì)磨，使其在軸承底部35°-60°的范圍內(nèi)接觸均勻，降低軸承振動(dòng)。

4.2 葉輪

廠商利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)葉輪外形進(jìn)行測(cè)繪，確保葉輪的精確測(cè)量，保證加工的葉輪與軸、軸承、隔板、密封等部件良好配合。再采用UG軟件對(duì)葉輪數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體造型，利用CFD粘性流場(chǎng)分析軟件和ANSYS有限元分析軟件對(duì)流道進(jìn)行模擬分析，修正負(fù)壓點(diǎn)，減少流道損失，提高工作輪效率。

4.3 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子組件首先通過(guò)進(jìn)口CAE軟件NASTREME進(jìn)行動(dòng)力性能分析，然后進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，在超速試驗(yàn)臺(tái)位進(jìn)行130%的超速試驗(yàn)，在固頻試驗(yàn)臺(tái)位進(jìn)行固頻測(cè)試，最后在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)。確保工作轉(zhuǎn)速都在轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)下，保證機(jī)組啟、停操作和運(yùn)轉(zhuǎn)更安全。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

自兩套裝置的膨脹機(jī)核心部件實(shí)施國(guó)產(chǎn)化以來(lái)，機(jī)組轉(zhuǎn)速、軸承振動(dòng)，推力差和軸承溫度等參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，保障了兩套裝置膨脹機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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