循環(huán)氫壓縮機(jī)葉輪開(kāi)裂原因及處理措施

郭韶華

(河南開(kāi)祥精細(xì)化工有限公司 ， 河南 三門(mén)峽 472300)

循環(huán)氫壓縮機(jī)能夠提供氫氣在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)所需的動(dòng)力，滿(mǎn)足化工生產(chǎn)相關(guān)反應(yīng)對(duì)于氫油比的需求，同時(shí)也能夠?qū)Ψ磻?yīng)器中的反應(yīng)溫度進(jìn)行有效的控制，提升散熱效果，在很多化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而在循環(huán)氫壓縮機(jī)中，葉輪是非常關(guān)鍵的組成部分，是確保設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，一旦葉輪出現(xiàn)損壞，循環(huán)氫壓縮機(jī)會(huì)出現(xiàn)聯(lián)鎖停運(yùn)的情況，影響生產(chǎn)的順利實(shí)施。從技術(shù)人員的角度，必須做好循環(huán)氫壓縮機(jī)的維護(hù)工作，對(duì)葉輪開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析，采取有效的應(yīng)對(duì)和處理措施，為循環(huán)氫壓縮機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供保障。

1 概況

某化工廠在加氫裂化工藝中，采用的是BCL408A離心式循環(huán)氫壓縮機(jī)，機(jī)身部分采用的是垂直剖分結(jié)構(gòu)，動(dòng)力為汽輪機(jī)。循環(huán)氫壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子由多片閉式葉輪構(gòu)成，葉輪的材質(zhì)使用的是FV520B，直徑為420 mm，布氏硬度處于254～295 HB的范圍內(nèi)，最大屈服強(qiáng)度為700～800 MPa。葉輪轉(zhuǎn)速參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速12 033 r/min，跳閘轉(zhuǎn)速14 300 r/min，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速13 028 r/min，一階臨界轉(zhuǎn)速4 950 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速18 010 r/min。

在生產(chǎn)過(guò)程中，循環(huán)氫壓縮機(jī)連續(xù)兩次出現(xiàn)了葉輪開(kāi)裂問(wèn)題。第一次葉輪開(kāi)裂發(fā)生在2020年4月1日下午14：20，裝置經(jīng)過(guò)檢修后投入運(yùn)行，當(dāng)生產(chǎn)進(jìn)行到360 ℃硫化恒溫環(huán)節(jié)時(shí)，循環(huán)氫壓縮機(jī)中的K102軸發(fā)生劇烈振動(dòng)，引發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)問(wèn)題[1]。維修人員在對(duì)聯(lián)鎖記錄進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸承的兩個(gè)振動(dòng)值都相對(duì)較高，判定循環(huán)氫壓縮機(jī)內(nèi)部存在機(jī)械損傷，拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)在第二級(jí)葉輪上出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂現(xiàn)象，裂縫已經(jīng)貫穿。將葉輪拆下后，通過(guò)焊接、固溶、調(diào)質(zhì)等工序，對(duì)其進(jìn)行了修復(fù)，修復(fù)完成后將葉輪裝回，經(jīng)測(cè)試后，于4月10日晚19：00正常開(kāi)機(jī)。4月22日上午9:12，循環(huán)氫壓縮機(jī)K102軸再次出現(xiàn)了高振聯(lián)鎖停機(jī)問(wèn)題，緊急停工導(dǎo)致全線(xiàn)生產(chǎn)受阻。再次拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)依然是第二級(jí)葉輪開(kāi)裂，不過(guò)開(kāi)裂位置并非上次修復(fù)的位置。對(duì)此，在更換全新葉輪組恢復(fù)生產(chǎn)后，組織技術(shù)人員和專(zhuān)家對(duì)葉輪開(kāi)裂的原因進(jìn)行了分析[2]。

2 葉輪開(kāi)裂原因

最初在進(jìn)行拆機(jī)檢修前，維修人員判斷可能是因?yàn)樵谏a(chǎn)中，壓縮機(jī)本身的密封不嚴(yán)密，有金屬塊進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部，引發(fā)機(jī)械損傷問(wèn)題，最大的可能是循環(huán)氫壓縮機(jī)入口位置過(guò)濾網(wǎng)的支撐板發(fā)生了斷裂，或者破碎的金屬濾網(wǎng)進(jìn)入到壓縮機(jī)中。在拆機(jī)后，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾網(wǎng)以及支撐板完好，因此將這一原因排除。經(jīng)拆機(jī)檢查和葉輪檢測(cè)，確定葉輪開(kāi)裂的原因有兩個(gè)。

2.1 葉片本身質(zhì)量

在完成壓縮機(jī)的拆機(jī)檢查后，發(fā)現(xiàn)第二級(jí)葉輪出現(xiàn)了貫穿性裂紋，對(duì)其進(jìn)行了硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)葉輪在硬度方面超過(guò)了其他葉輪，表明該葉輪在經(jīng)過(guò)熱處理后，并沒(méi)有與其他葉輪的狀態(tài)保持一致?；诖?，經(jīng)研討后，認(rèn)定第二級(jí)葉輪本身存在質(zhì)量問(wèn)題，可能是加工處理環(huán)節(jié)有缺陷，不過(guò)缺陷比較微小，沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，又或者在熱處理環(huán)節(jié)，沒(méi)有能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，屬于殘次品[3]。

2.2 生產(chǎn)工藝影響

生產(chǎn)工藝對(duì)于循環(huán)氫壓縮機(jī)葉輪的影響主要體現(xiàn)在氯離子腐蝕方面，在對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行拆機(jī)檢查的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在有大量氯化銨鹽，而葉片本身的材質(zhì)對(duì)于氯離子十分敏感，在同時(shí)接觸空氣和銨鹽的情況下，容易被腐蝕。為了進(jìn)一步確定該猜想，對(duì)銨鹽進(jìn)行了更加深入的分析，首次拆機(jī)檢查環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備外殼和內(nèi)殼之間存在結(jié)晶鹽，在內(nèi)缸固定無(wú)法抽出的情況下，借助蒸汽配合水洗的方式進(jìn)行采樣，對(duì)水樣進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1[4]。

表1 臨時(shí)樣本水樣檢測(cè)結(jié)果

注：水樣1是轉(zhuǎn)子抽出之前，在設(shè)備低點(diǎn)進(jìn)行采樣；水樣2是轉(zhuǎn)子抽出之后，在彎道以及回流器中進(jìn)行采樣。

對(duì)照表1檢測(cè)結(jié)果可知，所有水樣中都有氯離子的存在，白色物質(zhì)檢測(cè)后確定為氯化銨。企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，加氫裂化裝置中使用的氫氣是由重整裝置提供的，不過(guò)重整氫氣中存在著氯離子超標(biāo)的現(xiàn)象。循環(huán)氫在接觸熱高分換熱器的外殼時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的氯化銨鹽結(jié)晶，結(jié)晶附著在外殼上，會(huì)導(dǎo)致出口和入口位置的壓差不斷增大，影響循環(huán)氫壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。而在設(shè)備檢修中，對(duì)系統(tǒng)中的換熱器進(jìn)行了檢修，發(fā)現(xiàn)在換熱器內(nèi)容有大量氯化銨鹽的存在，證明壓縮機(jī)內(nèi)殼上附著的白色物質(zhì)是氯化銨，其會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題[5]。

3 葉輪開(kāi)裂處理措施

3.1 設(shè)備處理措施

對(duì)照循環(huán)氫壓縮機(jī)葉輪開(kāi)裂的原因，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化處理。①葉輪首次開(kāi)裂后，在對(duì)其進(jìn)行修復(fù)的同時(shí)，聯(lián)系相應(yīng)的生產(chǎn)廠商，加工了同類(lèi)型的葉輪做備用，使得葉輪在第二次開(kāi)裂后，能夠通過(guò)更換備用葉輪的方式快速消除故障。不過(guò)在實(shí)踐中，故障的緊急處理僅僅針對(duì)第一級(jí)和第二級(jí)葉輪進(jìn)行了相應(yīng)的全面檢測(cè)，其他葉輪在沒(méi)有檢測(cè)的情況下，一樣存在發(fā)生開(kāi)裂的可能性。從這個(gè)角度看，需要繼續(xù)聯(lián)系廠商加工一整套備用轉(zhuǎn)子，做到防患于未然。②對(duì)于兩次開(kāi)裂的葉輪，在更換下來(lái)后，送到權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行了全面檢測(cè)分析，也自主研究了葉輪材質(zhì)對(duì)于氯離子腐蝕的響應(yīng)情況，確定氯離子腐蝕同樣可能引發(fā)葉輪開(kāi)裂問(wèn)題。對(duì)此，和生廠商進(jìn)行了溝通，實(shí)現(xiàn)了葉輪定制，要求在后續(xù)葉輪的生產(chǎn)中，選擇的葉輪材質(zhì)能夠很好地抵御氯離子腐蝕作用的影響。③為了避免出現(xiàn)葉輪再次開(kāi)裂的問(wèn)題，設(shè)置了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，對(duì)人員和設(shè)備進(jìn)行了合理安排，確保在因?yàn)橥话l(fā)因素出現(xiàn)葉輪開(kāi)裂后，能夠快速進(jìn)行處理，盡可能地將葉輪開(kāi)裂問(wèn)題的影響降到最低。

3.2 工藝處理措施

考慮到氯離子腐蝕因素對(duì)葉輪的影響，從防范葉輪開(kāi)裂問(wèn)題再次發(fā)生的角度，化工企業(yè)需要對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化處理。結(jié)合葉輪開(kāi)裂原因的分析，結(jié)果表明，在壓縮機(jī)的內(nèi)殼上，存在有氯化銨鹽，其會(huì)對(duì)葉輪的材質(zhì)產(chǎn)生腐蝕，引發(fā)葉輪開(kāi)裂的問(wèn)題，基于此，在工藝中必須盡可能地消除氯離子腐蝕的影響。而結(jié)合化驗(yàn)分析結(jié)果可知，在循環(huán)氫中存在的氯離子基本都是來(lái)自新氫組分，由重整氫提供。對(duì)此，可以在重整單元，針對(duì)氯離子進(jìn)行全面檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)氯離子含量超標(biāo)，需要對(duì)脫氯劑進(jìn)行更換，將產(chǎn)品質(zhì)量控制在相關(guān)規(guī)范允許的范圍內(nèi)。應(yīng)該隨時(shí)關(guān)注換熱器殼程循環(huán)氫出入口的壓差變化情況，當(dāng)壓差增大，超過(guò)設(shè)定值時(shí)，需要對(duì)換熱器中的氯化鈉結(jié)晶鹽進(jìn)行清理，避免結(jié)晶鹽堆積對(duì)循環(huán)氫系統(tǒng)整體的影響，規(guī)避應(yīng)力引發(fā)的葉輪開(kāi)裂問(wèn)題。另外，在工藝操作中，應(yīng)該嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的要求進(jìn)行，確保操作平穩(wěn)，避免操作不當(dāng)引發(fā)的設(shè)備參數(shù)劇烈波動(dòng)的問(wèn)題。

3.3 改造處理措施

事實(shí)上，在該循環(huán)氫壓縮機(jī)中，前三級(jí)葉輪的尺寸完全相同，對(duì)于突發(fā)性的葉輪開(kāi)裂故障，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，將出現(xiàn)開(kāi)裂的葉輪直接去掉，然后將第一級(jí)葉輪后移，于第一級(jí)葉輪原本的位置設(shè)置軸套來(lái)固定各個(gè)葉輪。改造后的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)：總質(zhì)量325 kg，總長(zhǎng)度1 849.3 mm，跨徑1 466.5 mm，轉(zhuǎn)速范圍8 201～13 033 r/min，工作轉(zhuǎn)速為12 425 r/min，長(zhǎng)徑比為9.66。

考慮在改造后，設(shè)備在運(yùn)行中可能轉(zhuǎn)子不平衡的問(wèn)題，從而引發(fā)機(jī)器的劇烈振動(dòng)。為了規(guī)避這一問(wèn)題，需要做好轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)：在真空狀態(tài)或者接近真空狀態(tài)下，對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)施高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，最大轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，在經(jīng)過(guò)改造后，轉(zhuǎn)子能夠滿(mǎn)足動(dòng)平衡試驗(yàn)的相關(guān)要求，一階臨界轉(zhuǎn)速約為4 500 r/min，此時(shí)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)速度最大為1.66 mm/s；二階臨界轉(zhuǎn)速達(dá)到11 600 r/min，此時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)速度最大為2.36 mm/s，均能夠滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行需求。對(duì)改造前后循環(huán)氫壓縮機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 改造前后壓縮機(jī)運(yùn)行情況對(duì)比

由圖1可知，伴隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，壓縮機(jī)入口位置的流量穩(wěn)定在89～95 m3/h，能夠滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行需求。經(jīng)過(guò)改造后，壓縮機(jī)入口流量略低于改造前，分析原因主要是存在一定的氣動(dòng)損失，影響了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。經(jīng)過(guò)粗略計(jì)算后，第一級(jí)效率下降了約13%，主要是由于進(jìn)口損失量增加導(dǎo)致，損失的數(shù)值在200～300 kPa。改造前后出口位置壓力的變化如圖2所示。

圖2 改造前后出口位置壓力變化

由圖2可知，伴隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，出口位置的壓力保持在正常水平，改造前后的數(shù)值越發(fā)接近。在入口流量以及轉(zhuǎn)速相同的情況下，出口位置的壓降在130 kPa左右。

從壓縮機(jī)后軸位置的同一截面上，選擇兩個(gè)測(cè)點(diǎn)A和B，要求其對(duì)稱(chēng)分布，以V1-A和V1-B來(lái)表示，在前軸位置同一截面上，同樣選擇兩個(gè)測(cè)點(diǎn)A和B，要求其對(duì)稱(chēng)分布，以V2-A和V2-B來(lái)表示。對(duì)照壓縮機(jī)軸體振動(dòng)數(shù)值與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，在正常運(yùn)行的情況下，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在9 200r/min，而在轉(zhuǎn)速達(dá)到約1/3，也就是3 070 r/min時(shí)，軸體最大振動(dòng)幅度約為40 μm，出現(xiàn)在V2-B點(diǎn)位置。隨著轉(zhuǎn)速的增大，軸體趨于穩(wěn)定，振動(dòng)幅度下降到25 μm，遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)允許振動(dòng)值(62 μm)。這也表明在正常運(yùn)行的情況下，改造后的葉輪一階臨界轉(zhuǎn)速值為3 070 r/min。

另外，在完成循環(huán)氫壓縮機(jī)的改造后，設(shè)備開(kāi)機(jī)環(huán)節(jié)，軸瓦的溫度會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從主止推軸承和副止推軸承上分別選擇兩個(gè)點(diǎn)，記做T1-A、T1-B與T2-A、T2-B，然后在前后支撐軸承上也各選擇兩個(gè)點(diǎn)，記做T3-A、T3-B與T4-A、T4-B，對(duì)軸瓦溫度隨轉(zhuǎn)速的變化情況進(jìn)行研究分析，結(jié)果顯示，在正常運(yùn)行的情況下，軸瓦溫度最高值為66.3 ℃，出現(xiàn)在T3-A位置，這個(gè)溫度數(shù)據(jù)小于壓縮機(jī)正常運(yùn)行中允許的最高溫度值106 ℃，壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性可以得到保障。

4 結(jié)語(yǔ)

循環(huán)氫壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)受到很多因素的影響，可能導(dǎo)致其葉輪開(kāi)裂的因素多種多樣，需要檢修維護(hù)人員通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)分析，找出導(dǎo)致葉輪開(kāi)裂的主要原因，采取有效的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)和解決，以此來(lái)保證設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。結(jié)合上文提到的情況，引發(fā)葉輪開(kāi)裂的主要運(yùn)營(yíng)，是循環(huán)氫中氯離子含量超標(biāo)，對(duì)于葉輪材質(zhì)產(chǎn)生了腐蝕，需要在后續(xù)葉輪材質(zhì)的選擇方面做好應(yīng)對(duì)和方法，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行解決。