激光熔覆技術(shù)在液環(huán)壓縮機(jī)檢修的應(yīng)用

梁力中 張彪 李喜盈 魏濤 王永紅

摘要：聚丙烯裝置液環(huán)壓縮機(jī)PK501運(yùn)行多年，由于腐蝕原因，壓縮機(jī)能力無法滿足裝置工藝生產(chǎn)需要。通過對(duì)能力不足原因分析，利用先進(jìn)激光熔覆技術(shù)修復(fù)，修復(fù)后壓縮機(jī)能力滿足裝置工藝生產(chǎn)需要。新技術(shù)的使用，節(jié)省了檢修備件費(fèi)用，縮短了檢修時(shí)間，在同類設(shè)備檢修中具有推廣意義。

關(guān)鍵詞：液環(huán)壓縮機(jī);激光熔覆;檢修;氣蝕

一、設(shè)備簡(jiǎn)介

獨(dú)山子石化公司聚丙烯1PP裝置采用海蒙特公司的SPHERIPOL工藝，反應(yīng)器系統(tǒng)采用一個(gè)六條腿環(huán)管反應(yīng)器和一個(gè)氣相流化床反應(yīng)器串聯(lián)組成，從反應(yīng)器排出的聚合物淤漿，經(jīng)閃蒸罐D(zhuǎn)301和袋式過濾器F301分離，從袋式過濾器排出的聚合物依靠重力作用流到低速攪拌汽蒸器D501，低壓蒸汽從汽蒸器底部進(jìn)入，分解催化劑和給電子體剩余物并且分離出聚合物中存留的丙烯和丙烷，催化劑剩余物的分解能產(chǎn)生氯化氫，在水存在的情況下，氯化氫呈現(xiàn)強(qiáng)腐蝕性。因此汽蒸器具有低壓蒸汽夾套，以防止水冷凝，在料位控制下，從汽蒸器排出的聚合物在重力的作用下流入干燥器D502。

離開汽蒸器的氣體，通過一臺(tái)旋風(fēng)分離器除去夾帶的聚合物細(xì)粒。借助低壓蒸汽噴射器C503的作用，從旋風(fēng)分離器底部排出聚合物細(xì)粒重新進(jìn)入汽蒸器D501，蒸汽進(jìn)入汽蒸器洗滌塔T501，該塔包括16層塔盤，與水逆流相接觸。使氣體得到洗滌。洗滌后的氣體由安裝在塔頂部的E501冷卻，分離其中的蒸汽。

冷卻后的氣體由一臺(tái)液環(huán)壓縮機(jī)PK501吸入。經(jīng)過兩級(jí)壓縮，含少量有機(jī)物丙烯和丙烷壓縮至0.4MPa，壓縮后的氣體在E504中經(jīng)冷凍水冷卻以降低其水含量，經(jīng)分離器D504分離，氣相部分被送到上游裝置。

后因PK301的流量較大，PK301不能完全回收，PV311會(huì)有排放。對(duì)裝置改擴(kuò)建時(shí)進(jìn)行了改造。在PK301入口管線增加一根至PK501入口管線，將PK301系統(tǒng)部分氣體回收至尾氣線。目前PK301回收能力滿足，PK301入口至PK501尾氣回收未投用。當(dāng)PK301檢修時(shí)，投用該部分，可以減少200kg/h的丙烯排放。

PK501是一臺(tái)兩級(jí)液環(huán)式壓縮機(jī)，相關(guān)參數(shù)如下：

型號(hào)：2BW6-150

型式：?jiǎn)巫饔脙杉?jí)

介質(zhì)：丙烯、丙烷、乙烯、乙烷、氫氣

工作溫度（入口/出口，℃）：40/60

工作壓力（入口/出口，MPa）：0.02/0.4

轉(zhuǎn)速（r/min）：1480

額定流量（kg/h）：480kg/h

工作液：裝置回收冷凝液

驅(qū)動(dòng)方式：電機(jī)直聯(lián)

二、故障現(xiàn)象

液環(huán)壓縮機(jī)C501從1995年安裝投用，正常時(shí)，其入口壓力通過回流閥PV511控制在0.02MPa，出口壓力通過壓力控制閥PV512控制在0.4MPa，汽蒸器D501壓力控制器PIC502設(shè)定值0.02MPa，正常生產(chǎn)時(shí)汽蒸器D501壓力控制閥PV502無開度。

從2018年初開始，C501出現(xiàn)流量不足情況，不能全部將尾氣回收。汽蒸器D501的壓力控制閥PV502時(shí)常有開度。造成部分尾氣進(jìn)入低壓排放系統(tǒng)，造成尾氣回收量下降。約60kg/h無法得到回收，造成了極大浪費(fèi)，增加了裝置單耗，產(chǎn)品成本增加。

圖二，處理能力不足壓縮機(jī)運(yùn)行趨勢(shì)

并且液環(huán)壓縮機(jī)C501出口壓力僅能控制在0.15MPa（正?？刂圃?.4MPa），若增大出口壓力將造成液環(huán)壓縮機(jī)不能正常運(yùn)行。

尾氣通過PV502進(jìn)入低壓排放系統(tǒng)，會(huì)攜帶大量水分。由于低壓排放系統(tǒng)沒有伴熱保溫。這部分水會(huì)在冬季造成低壓排放系統(tǒng)凍堵，裝置緊急排放時(shí)，排放系統(tǒng)不暢對(duì)裝置運(yùn)行產(chǎn)生極大風(fēng)險(xiǎn)，可能發(fā)生嚴(yán)重停工事故。

三、原因分析

液環(huán)壓縮機(jī)C501處理能力不足問題，同類裝置也曾存在同樣問題。其能力不足主要原因是葉輪與孔板間隙增大造成。造成間隙過大原因均為定位軸承失效，葉輪軸向竄量增加，產(chǎn)生異常機(jī)械摩擦造成。[1]，[2] 這對(duì)故障原因分析提供了參考經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)這臺(tái)液環(huán)壓縮機(jī)C501處理能力不足問題原因分析。

1、外觀尺寸

從解體檢修情況來看，一級(jí)、二級(jí)葉輪均出現(xiàn)不完整情況，一級(jí)葉輪更為嚴(yán)重，葉片厚度、長(zhǎng)度都有較多減少，葉片長(zhǎng)度最長(zhǎng)和最短相差4.6mm，兩處葉片加強(qiáng)筋板完全斷裂;一級(jí)、二級(jí)進(jìn)氣、排氣孔板也存在不完整，二級(jí)進(jìn)氣孔板最為嚴(yán)重，存在大面積剝落痕跡，最深處11mm，并且進(jìn)氣孔形狀也受到破壞。

圖三，一級(jí)葉輪腐蝕情況 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖四，二級(jí)進(jìn)氣孔板腐蝕情況

為了探究零件不完整是腐蝕還是機(jī)械磨損造成，查閱該設(shè)備歷次檢修資料，定位止推軸承均未出現(xiàn)故障情況，四次檢修更換時(shí)，軸向間隙0.02-0.04mm。判斷葉輪與進(jìn)氣、排氣孔板間未發(fā)生機(jī)械摩擦。C501介質(zhì)干凈穩(wěn)定，也就排除了異物進(jìn)入造成磨損的可能性。從上圖一級(jí)葉輪和二級(jí)進(jìn)氣孔板來看，缺失部分不均勻，尤其二級(jí)進(jìn)氣孔板，靠近轉(zhuǎn)軸位置有較深坑點(diǎn)存在，判斷是發(fā)生了腐蝕。

2、腐蝕形式

為近一步探究其腐蝕發(fā)生情況，參考API571、《GB/T 30579-2014 承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》中聚丙烯裝置存在腐蝕模式，結(jié)合C501運(yùn)行工況，可能存在三種腐蝕機(jī)理：鹽酸腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂和氣蝕。

對(duì)C501工作液取樣分析，結(jié)果呈弱酸性，但無氯化氫。雖然催化劑剩余物的分解能產(chǎn)生氯化氫，但經(jīng)過T501洗滌后基本不含有氯化氫，工作液所用冷凝液補(bǔ)充量為800kg/h，所以氯化氫含量幾乎沒有，此處沒有發(fā)生鹽酸腐蝕。葉輪等處未見開裂，又無氯化物存在，所以也就沒有氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

液環(huán)壓縮機(jī)正常工作時(shí)， 如果壓縮機(jī)內(nèi)局部壓力比液體的飽和蒸汽壓力低時(shí)， 液體就會(huì)發(fā)生汽化， 產(chǎn)生氣泡， 氣泡在高壓的情況下會(huì)瞬間破裂， 破裂的氣泡會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的局部沖擊力， 從而對(duì)金屬表面造成不同程度的破壞。[3]這種情況就是氣蝕。API571指出，氣蝕容易發(fā)生的部位是低壓區(qū)，葉輪以及孔板下游。氣蝕破壞的外觀看上去邊緣鋒利或像刨削的。

C501工作液是靠裝置回收的冷凝液補(bǔ)充，溫度接近90℃，即便進(jìn)氣溫度較低，但是壓縮機(jī)運(yùn)行過程勢(shì)必產(chǎn)生較大熱量，轉(zhuǎn)軸位置更是由于進(jìn)氣、排氣孔板軸封填料的摩擦，熱量更多，在一級(jí)進(jìn)氣孔板、葉輪，和二級(jí)進(jìn)氣孔板、葉輪等低壓部位，就發(fā)生了氣蝕，造成了嚴(yán)重的腐蝕損壞。當(dāng)然也受到了流體沖刷和電化學(xué)腐蝕的影響。

3、處理能力影響

查閱相關(guān)文獻(xiàn)、資料[4]，[5]，液環(huán)壓縮機(jī)流量計(jì)算公式如下：

容積流量

式中：ηV為容積效率， ?為理論容積流量;

理論容積流量

式中： r2為葉輪外徑;r0為主軸中心至CD截面液環(huán)面距離;n為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù);β為兩葉片間夾角;b為葉片長(zhǎng)度; z為葉片數(shù)。

當(dāng)C501出現(xiàn)上述葉片厚度減小，入口、出口孔板腐蝕，會(huì)造成壓縮機(jī)攪動(dòng)是液體損失增加，容積效率ηV降低，進(jìn)而容積流量較低。

葉片長(zhǎng)度b減小容積流量較低。

綜上所述，由于腐蝕引起的壓縮機(jī)零件尺寸變化是造成壓縮機(jī)處理能力不足的主要原因。

四、解決方案

1、零件維修

葉輪和進(jìn)氣、排氣孔板均為事故件，一般沒有儲(chǔ)備，緊急采購(gòu)，供貨周期均在6個(gè)月以上，且費(fèi)用高。

同類裝置采用的堆焊修復(fù)技術(shù)，存在修復(fù)精度低，結(jié)合不好，產(chǎn)生熱變形等問題，沒有采用。而是采用了更為先進(jìn)的激光熔覆修復(fù)技術(shù)。激光熔覆是通過同步或預(yù)置材料的方式，將外部材料添加至基體經(jīng)激光輻照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆層方法。

對(duì)一級(jí)、二級(jí)進(jìn)氣、排氣孔板進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，采用逐層熔覆方式，首先對(duì)蝕坑進(jìn)行填補(bǔ)修復(fù)，然后對(duì)整個(gè)配合面進(jìn)行修復(fù)，使其在恢復(fù)原尺寸基礎(chǔ)上，增加了0.2mm厚度，最后進(jìn)行了研磨，保證平面度。

對(duì)腐蝕嚴(yán)重的一級(jí)葉輪，同樣進(jìn)行了激光熔覆修復(fù)。曲面零件修復(fù)，程序相對(duì)復(fù)雜，首先根據(jù)損壞葉輪現(xiàn)有尺寸對(duì)其進(jìn)行了形狀還原，并建立CAD模型，通過邊界輸出， 最終生成熔覆控制程序， 進(jìn)行了激光熔覆。但是葉片的曲度不是規(guī)則的，在實(shí)際邊界提取和形狀還原產(chǎn)生了較大的誤差[6]，修復(fù)效果沒有孔板好。修復(fù)后又對(duì)葉片部分進(jìn)行了一定切割和再次激光熔覆修復(fù)。葉輪厚度和葉片長(zhǎng)度基本恢復(fù)了原有尺寸。又對(duì)葉輪進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn)。

2、壓縮機(jī)裝配

進(jìn)氣、排氣孔板在修復(fù)時(shí)增加了原有尺寸，葉輪厚度也進(jìn)行了修復(fù)還原，在裝配時(shí)，一定要注意控制壓縮機(jī)葉輪軸向間隙，通過在一級(jí)、二級(jí)缸體與進(jìn)氣、排氣孔板之間加石棉墊片的方法，調(diào)節(jié)軸向間隙在0.1-0.2mm。一級(jí)缸體兩邊各加0.5mm墊片，二級(jí)入口側(cè)加1mm墊片，二級(jí)出口側(cè)加0.5mm墊片。用塞尺檢查葉片與殼體徑向間隙，2.4mm，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。[5]

3、工藝處理

壓縮機(jī)發(fā)生氣蝕，考慮凝液本身溫度較高，將工作液補(bǔ)水改為脫鹽水，降低工作溫度，減少氣蝕發(fā)生可能性。

壓縮機(jī)檢修后，運(yùn)行電流150A，出口壓力達(dá)到0.4MPa以上，壓縮機(jī)回收流量達(dá)到280kg/h，PV502無排放，滿足工藝需求。

五、結(jié)語

通過壓縮機(jī)能力不足原因分析，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)氣蝕造成葉輪和進(jìn)氣、排氣孔板尺寸變化，影響壓縮機(jī)容積效率與流量。通過激光熔覆技術(shù)修復(fù)，解決了零件無備件問題。檢修后，壓縮機(jī)運(yùn)行工況基本恢復(fù)設(shè)計(jì)值。每年減少了丙烯排放約50噸。同時(shí)，消除了排放系統(tǒng)凍堵的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫閣，撫順乙烯聚丙烯裝置液環(huán)壓縮機(jī)修理改進(jìn)，[J]，當(dāng)代化工，2011.8

[2]彭公平，聚丙烯PK_501液環(huán)壓縮機(jī)性能提升改造，[J]，煉油與化工，2017.10

[3]周健，液環(huán)真空泵工作原理、啟停及常見故障分析，[J]，內(nèi)燃機(jī)與配件 2018.3

[4]黃思，基于實(shí)際工作循環(huán)的液環(huán)壓縮機(jī)理論模型研究，[J]，化工機(jī)械 2019.2

[5]郁永章、姜培正、孫嗣螢，壓縮機(jī)工程手冊(cè)，[M]，北京，中國(guó)石化出版社，2012

[6]王鑫龍，激光熔覆零件破損邊界提取和形狀還原研究，[J]，激光技術(shù) 2017.3