延遲焦化裝置富氣壓縮機汽輪機故障分析

馬國豪

(中國石油化工股份有限公司濟南分公司，山東 濟南 250101)

離心壓縮機組作為石油化工行業(yè)中的核心設備之一，其運行平穩(wěn)與否直接關系到整個裝置甚至多個裝置的正常運行。而汽輪機作為離心壓縮機(簡稱離心機)主要驅動機之一更是機組運行正常與否的關鍵。

1 裝置及工藝流程

某公司延遲焦化裝置主要加工常減壓裝置減壓蒸餾后的減底渣油、摻煉10%左右的催化油漿或者丙烷脫油瀝青。該裝置的主分餾塔頂焦化富氣經壓縮機第一段壓縮后流經中間冷卻器進行冷卻，分液后再進入第二段壓縮，最后進入氣液平衡罐。該壓縮機為2MCL457型，二段七級，由杭州汽輪機有限公司(簡稱杭汽)生產的背壓式汽輪機(NG 25/20)驅動，壓縮機與汽輪機之間采用撓性疊片式聯(lián)軸器聯(lián)接。該機組采用一個潤滑油系統(tǒng)，除了提供潤滑外，還向汽輪機調節(jié)控制系統(tǒng)提供控制油。隨著裝置的長周期運行，該汽輪機的做功效率明顯下降。本文將就裝置長周期生產中的大機組設備的運行狀況進行簡要分析與探討。

該公司延遲焦化裝置的原料來源有6個：常減壓裝置的減壓塔底部抽出的換后渣油、渣油罐區(qū)來的渣油、罐區(qū)來的催化油漿、兩套催化油漿直供進焦化裝置、丙烷脫瀝青的脫油瀝青以及糠醛抽出余油經由罐區(qū)進入焦化裝置。上述6種原料在延遲焦化原料罐混合。原料性質日益惡劣對裝置長周期運行造成了極大威脅，同時公用系統(tǒng)的運行狀態(tài)也給裝置各個設備的正常運轉帶來了很多的不利因素?，F(xiàn)就該裝置富氣壓縮機的運行狀況做簡要分析。

2 延遲焦化裝置富氣壓縮機主要技術參數(shù)

延遲焦化裝置富氣壓縮機及汽輪機型號參數(shù)見表1和表2。

表1 壓縮機參數(shù)

3 運行狀況

機組于2017年3月隨全廠進行大修，于2017年4月3日開車運行。在開車升速階段8 100～8 400 r/min時進汽量沒有明顯變化，判斷為調速汽閥卡塞導致，在8 400 r/min之后恢復正常。

機組開車初期，汽輪機中壓蒸汽進汽量26 t/h, 2017年4月3日裝置進料后汽輪機總進汽量趨勢如圖1所示。該汽輪機輪室壓力1.6 MPa。由圖1可見，機組在運行過程中汽輪機進汽量逐步下降，由剛開機時的最大進汽量32 t/h下降至20 t/h 左右，初步判斷為汽輪機轉子及過流部件結鹽結垢所致。離心機運行狀態(tài)基本平穩(wěn)，僅在2018年6～7月和2020年2～3月出現(xiàn)過離心機4個軸振動波動的情況，調整工藝操作后運行逐步趨于平穩(wěn)，機組干氣密封泄漏量正常。

圖1 2017年至2020年汽輪機進汽量

該機組運行至2020年6月汽輪機進汽量已經沒有調節(jié)手段，只能依靠提高中壓蒸汽管網壓力維持機組運行。由圖2可見，2020年6月初，汽輪機進汽量有一次大幅度下滑，在此之前，系統(tǒng)中壓蒸汽管網曾有一次較大幅度波動。

圖2 2020年汽輪機進汽量

該機組計劃于2020年7月初進行計劃性停工檢修，檢修主要內容為：汽輪機檢查軸瓦、清洗轉子、更換油動機、更換速關閥油缸密封、檢查調速汽閥；離心機檢查軸瓦、清洗轉子、更換兩端干氣密封。

4 機組拆檢過程及分析

2020年7月9日，經上報允許后，決定對延遲焦化裝置富氣壓縮機(設備位號K-201，以后簡稱K-201)進行停機檢修。

4.1 汽輪機軸瓦拆檢情況

拆檢汽輪機軸瓦發(fā)現(xiàn)：前端軸承箱支撐瓦有接觸不均勻跡象，如圖3所示；推力瓦主推面巴士合金層起皮脫落、副推側瓦塊正常，如圖4所示。

圖3 前端軸承箱支撐瓦

圖4 主推力瓦塊上部巴士合金層起皮

經檢查，前軸承箱拉桿螺栓與推力軸承座軸向間隙不符合標準要求，拆檢拉桿螺栓、螺母，檢查各定位面未發(fā)現(xiàn)異常(如圖5所示)，清理后調整螺栓、螺母位置，將該處間隙調至標準要求范圍內(0.05～0.07 mm)?；匮b支撐瓦、更換推力瓦總成后檢查接觸情況符合要求。

圖5 檢查調整前軸承座拉桿螺栓間隙

造成推力瓦塊巴士合金層起皮損壞的主要原因為停機過程中轉子軸向力波動過大。

4.2 汽輪機轉子、內缸拆檢情況

拆檢汽輪機大蓋發(fā)現(xiàn)，轉子及導葉均有輕微結鹽結垢現(xiàn)象，如圖6所示。蒸汽室首級葉輪結垢較輕，如圖7所示。同時發(fā)現(xiàn)蒸汽室第一級噴嘴入口有斷裂螺栓，經判斷為調節(jié)汽閥閥碟螺栓，如圖8所示。拆檢內缸檢查機體內各處密封梳齒，結果顯示情況良好，未見明顯損壞及歪斜。對汽輪機轉子、軸瓦聯(lián)軸器進行著色檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖6 轉子末級葉片輕微結垢

圖7 首級葉輪第二級至第七級轉子結垢情況

圖8 蒸汽室第一級噴嘴入口調節(jié)汽閥閥碟斷裂螺栓

4.3 速關閥、調速汽閥拆檢情況

速關閥在拆檢中，其大蓋螺栓因高溫燒結拆卸困難，套把工具在拆卸中斷裂，如圖9所示。更換進口套把將大蓋螺栓拆卸完畢后，再整體拆卸速關閥，同時檢查調節(jié)汽閥拉桿。拆卸后發(fā)現(xiàn)，兩根拉桿有彎曲變形，如圖10所示。取出橫梁總成后發(fā)現(xiàn)，第五號(中間位置處)閥碟和螺栓斷裂，見圖11。斷裂的螺栓在蒸汽沖擊下落入第一級噴嘴入口，堵塞進氣通道，同時第五號旁路調節(jié)失效，致使機組進汽量下降(次閥碟為開度72%以上調節(jié)動作)。

圖9 速關閥大蓋螺栓拆卸困難

圖10 橫梁拉桿彎曲

圖11 調速汽閥橫梁總成第五號閥碟斷裂

拆檢后的第一、四號閥碟密封面均有不同程度的損傷，如圖12所示。判斷應為五號閥碟連接螺栓斷裂后隨氣流卡入各個閥碟流道、伴隨調速汽閥開關與汽閥密封面硬碰硬接觸導致的。斷裂螺栓的阻擋還影響了第一、四號汽閥調節(jié)進汽量。拆檢后的橫梁拉桿彎曲變形也進一步驗證了斷裂螺栓阻塞在閥碟與閥座之間的判斷。此為該機組運行后期進汽量無法調節(jié)的主要因素之一。

圖12 第一、四號閥碟磨損及第五號閥碟更換情況

另外，斷裂的螺栓隨氣流在機體內流動，初期尺寸較大，不會卡入閥腔之中，但是隨著螺栓與閥體密封面不斷摩擦磨損，最終進入第一閥碟閥腔之中，如圖8所示。斷裂螺栓進入后，導致該汽閥失去調節(jié)作用，并且第五號閥碟也卡塞在第四號閥碟之上，最終導致該機組汽輪機進汽量下降至20 t/h，完全偏離機組設計工況。

實際測量閥碟總行程與標準要求相差較大，尤其是第一、二號，初步判斷為橫梁內閥碟螺栓襯套長期運行磨損造成閥碟的升程增大所致，如圖13所示。汽輪機調速汽閥每只閥的開啟次序和升程由襯套的長度S決定，h是閥的空行程。該閥的空行程h=2，如圖14所示。

圖13 實測閥碟總行程

圖14 調速汽閥橫梁總成第五號閥碟示意

檢查橫梁總成發(fā)現(xiàn)，橫梁與拉桿連接處兩端有不同深度凹槽，查詢圖紙后確認是因長期運行磨損產生的。受檢修工期限制，橫梁總成暫無備件可供更換，因此，在檢修更換拉桿和橫梁總成時，需確保拉桿固定端進入磨損凹槽，同時保證橫梁水平，測量調整拉桿與拉桿接頭連接尺寸后在拉桿上鉆孔安裝定位銷，回裝調速汽閥拉桿、閥填料密封，并按原定位尺寸回裝調速器閥大彈簧。

速關閥油缸在該周期運行中沿閥桿處有滲漏油現(xiàn)象。因該處為高溫部位，滲漏潤滑油有自燃風險，需及時處理。拆檢發(fā)現(xiàn)，閥桿處密封膠圈已硬化失彈，故更換新密封圈，以消除滲漏油現(xiàn)象。

4.4 拆檢蒸汽室下缸

蒸汽室下缸與外缸通過定位槽安裝。汽缸下方有偏心導柱用于調整蒸汽室的橫向中心?；匮b上汽缸上缸體并壓鉛絲測量氣封等間隙后，拆卸上汽缸時容易將下蒸汽室?guī)?，使其定位升高，造成轉子盤車困難，因此，檢修時需注意蒸汽室下缸是否被上汽缸體帶起，與之一并升高。檢修時需將定位槽清理干凈，避免蒸汽室安裝不到位，如圖15 所示。

圖15 蒸汽室拆卸時可垂直吊出

4.5 離心機拆檢情況

離心機支撐瓦為可傾瓦塊，拆檢支撐瓦未發(fā)現(xiàn)異常，見圖16；推力瓦塊主推側有輕微劃痕，清理打磨后進行滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋等，見圖17。故此次檢修未更換離心機軸瓦。

圖16 離心機支撐瓦情況良好

圖17 離心機推力瓦有輕微磨痕

離心機開蓋后置換較為干凈，轉子及機殼結垢不明顯。對輪端軸頭密封處轉子軸頸有磨損，軸頭氣封內結焦嚴重，其他氣封位置結焦不明顯。用高壓水清洗上、下機殼和轉子后，檢查各級氣封，未發(fā)現(xiàn)明顯損壞，級間氣封等情況總體良好，軸端結焦氣封梳齒未見明顯損壞。此次檢修離心機組更換了干氣密封。更換前檢查、清洗輔助管線，拆檢軸端氣封返一級入口平衡管，未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。轉子軸頸的磨損由河北某公司進行了激光修復，同時更換了對輪端軸端密封，調整軸封間隙至0.30 mm(標準要求0.25～0.45 mm)。

轉子磨損的原因為：離心機在運行中氣封槽內介質結焦聚集形成較硬焦塊，卡塞至氣封內與轉子發(fā)生切削摩擦，導致轉子被磨損，而切削產生的碎屑堆積至氣封，又加劇了轉子的磨損。

機組更換新干氣密封后進行靜壓試驗時發(fā)現(xiàn)，對輪端干氣密封有輕微泄漏，經盤車后情況有所好轉。

4.6 開車情況

機組于2020年7月17日凌晨檢修完成并進行靜態(tài)試驗后，于2020年7月17日6：00在汽輪機廠家人員協(xié)助下進行油動機與調節(jié)汽閥匹配情況的調試，見圖18和圖19。調整方法為：調整速關控制裝置單向節(jié)流閥，將二次油壓調到0.15 MPa，確定油動機升程為0。調整完畢后開車時，出現(xiàn)因調速汽閥開度與蒸汽量不匹配導致的連鎖停機(工藝聯(lián)鎖：調速汽閥開度>30%，轉速低于500 r/min聯(lián)鎖停機)現(xiàn)象。分析認為，造成上述現(xiàn)象的原因是，調速汽閥橫梁及閥碟襯套磨損間隙超標，使得調節(jié)汽閥的實際空行程大于設計值。經計算并再次調整油動機反饋杠桿調節(jié)螺釘、消除調速汽閥空行程后，機組開機正常。機組運行過程中，離心機干氣密封泄漏量正常。

圖18 調試油動機與調節(jié)汽閥匹配

調整計算過程如下：油動機安裝時調速汽閥橫梁及閥碟完全落入閥座后，測量油動機油缸指示位置，并換算杠桿升降比例為330/120=2.75。實際操作中，第一號汽閥動作時，橫梁需提升6.7 mm，為避免閥碟熱膨脹造成拉桿受壓彎曲，需留(2.0±0.5)mm空行程。因廠家調試人員預留空行程為1.8 mm,故開機第一號閥碟動作時，橫梁仍需提升6.7-1.8=4.9 mm，根據杠桿升降比例，橫梁提升4.9 mm，油缸活塞桿需下降4.9×2.75=13.5 mm。將二次油壓調整至0.15 MPa試驗狀態(tài)時，調整油動機調節(jié)螺釘(見圖19中編號10)，使油缸活塞桿下降13 mm左右后，機組進氣量與調速汽閥開度匹配，機組開機正常。

1—拉桿；2—調節(jié)螺栓；3—反饋板；4—活塞桿；5—油缸(缸蓋)；6—活塞；7—連接體；8—錯油門(錯油門殼體)；9—反饋杠桿；10—調節(jié)螺釘；11—調節(jié)螺母；12—彎角杠桿；13—桿端關節(jié)軸承

機組檢修后振動情況如圖20所示。

圖20 機組開機正常后軸系參數(shù)

5 結語

富氣壓縮機作為延遲焦化裝置的心臟設備，其運行狀況的好壞決定著裝置運行周期的長短，因此對大機組的運行狀況，不僅應關注其運行參數(shù)是否正常，還要對其驅動機以及驅動介質的狀態(tài)、質量進行檢測。

本文所述的汽輪機調速汽閥故障為第五號閥碟螺栓斷裂。該閥在調速汽閥開度72%以上時開始動作。各種跡象表明，第五號閥碟應該是在開車階段斷裂的，但是并沒有卡塞進入蒸汽流道之中，伴隨著調速汽閥開關活動導致的氣流變化，斷裂閥碟進入流道中，影響了機組進汽量，甚至影響到調速汽閥橫梁動作。這一點可由拆檢過程中調速汽閥拉桿的嚴重變形證實。由上述分析可知，閥碟螺栓斷裂是導致汽輪機做功能力下降的直接原因，而機組連續(xù)運行7年未對過流承壓部件進行更換是間接原因。本次故障發(fā)生后，與杭汽技術人員進行溝通，了解到由于該類部件長時間經受中壓蒸汽沖刷，極易產生金屬疲勞，進而導致調速汽閥部件斷裂甚至損傷汽輪機葉輪等部件，造成嚴重的事故。雖然該類故障在國內同領域之中尚未發(fā)生過，但是該公司技術人員建議，對于汽輪機調速汽閥過流承壓部件，每兩個周期必須進行更換或者進行100%滲透檢測。

而油動機作為控制、調節(jié)調速汽閥的重要裝置，也應隨機組一起檢修。由于油動機是通過杠杠原理調節(jié)汽閥開度，因此油動機拉桿以及填料在檢修過程中也必須更換，以保證拉桿與填料間隙合適、并且既不影響拉桿上下活動又能保證蒸汽不大量外漏。

另一方面，由于蒸汽質量的波動導致汽輪機葉片出現(xiàn)結鹽現(xiàn)象，而結鹽是一種不可逆反應，一旦發(fā)生只會越來越嚴重并最終導致停車，這也會對汽輪機做功能力產生影響。

因此，此次檢修后，運行部對蒸汽品質加強了關注，將機體排凝的凝結水不定期送檢；對高壓氮氣系統(tǒng)以及干氣密封系統(tǒng)的過濾器工作情況也加強了關注，以保證干氣密封系統(tǒng)的正常工作。同時，不定期對大油箱底放空油質進行檢查，確保潤滑油質量符合要求。這一系列舉措都進一步保證了大機組的長周期平穩(wěn)運行，而且也大大降低了因異常故障導致停機而產生的異常過高能耗。