3K 氯氣透平機(jī)故障診斷與分析

馬 斌，馮 斌，劉占山，任明艷，龐智強(qiáng)，楊順瑩

（新疆中泰化學(xué)（集團(tuán)）股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830019）

德國3K 氯氣透平機(jī)是一種精密的離心式壓縮機(jī)，機(jī)組設(shè)置了溫度、振動、位移、壓力、壓差、電流、氯氣濕度、水中含氯等多個(gè)控制參數(shù)，旨在提高機(jī)組運(yùn)行的安全性。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)的控制參數(shù)也會發(fā)生偏離，影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。新疆華泰重化工先后于2007 年、2010 年裝備了3 臺3K 氯氣透平機(jī)，最早的設(shè)備至今已連續(xù)運(yùn)行15 年，下面將機(jī)組運(yùn)行期間的故障診斷分析和處理方法進(jìn)行闡述和討論。

1 3K 氯氣透平機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工藝流程

3K 氯氣透平機(jī)主要構(gòu)成包括級間冷卻器、后冷卻器、壓縮機(jī)主機(jī)、渦輪行星齒輪增速器、驅(qū)動電機(jī)、基礎(chǔ)框架、 油潤滑系統(tǒng)、 密封氣系統(tǒng)以及測量儀表等。VRZ250/430-12G 型氯氣透平機(jī)是二級離心式壓縮機(jī)，1 根高速旋轉(zhuǎn)軸上裝有2 個(gè)葉輪，與缸蓋形成2 個(gè)壓縮室。 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高壓電機(jī)驅(qū)動增速器，增速器將電機(jī)的1 500 r/min 低轉(zhuǎn)速增至10 000 r/min高轉(zhuǎn)速輸出，并通過聯(lián)軸器與壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸相連，從而帶動固定在壓縮機(jī)軸上的2 個(gè)葉輪高速旋轉(zhuǎn)。在2 個(gè)壓縮室內(nèi)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)提高了氯氣的壓力，同時(shí)透平機(jī)各級壓縮室出口的高溫氯氣都要進(jìn)入各級汽提冷卻器進(jìn)行冷卻。經(jīng)兩級壓縮后，達(dá)到設(shè)定壓力的氯氣被輸送到氯氣用戶裝置。 透平機(jī)組的油站分別向壓縮機(jī)前后軸瓦和增速器內(nèi)部星星齒輪供給潤滑油。 透平機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 透平機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

2 3K 氯氣透平機(jī)運(yùn)行時(shí)故障診斷和分析

2.1 透平機(jī)進(jìn)口氯氣濕度超標(biāo)

透平機(jī)進(jìn)口氯氣濕度要求<200×10-6， 高報(bào)值240×10-6，聯(lián)鎖值 480×10-6，日常運(yùn)行過程中氯氣濕度值會出現(xiàn)波動上漲的情況。 在初始波動的時(shí)候，先要排除濕度檢測儀失真的問題，具體可解除濕度聯(lián)鎖，由儀表工程師將氯氣濕度探頭拆出來，采用丙酮清洗探頭，清洗干凈后，使用5%五氧化二磷試劑進(jìn)行標(biāo)定，復(fù)位后濕度自檢正常，表明隱患已排除。 如果仍然存在數(shù)值高的情況，需要對氯氣干燥工序使用的濃硫酸干燥機(jī)濃度進(jìn)行檢測分析，必要時(shí)提升硫酸循環(huán)量，確保一次干燥的循環(huán)硫酸濃度達(dá)到75%以上，確保二次干燥的循環(huán)硫酸濃度達(dá)到97%以上。 最后需要注意的是，在裝置負(fù)荷不變的情況下， 通過提升硫酸加入量控制了氯氣濕度，后續(xù)需要分析硫酸消耗是否上升，如果存在上升等情況，需要在裝置機(jī)組停車時(shí)對氯氣水霧捕集器濾芯進(jìn)行檢查，氯氣水霧捕集器濾芯種類有玻璃鋼骨架和鈦骨架， 早期裝置安裝的大多為玻璃鋼骨架濾芯，長期運(yùn)行玻璃鋼骨架會出現(xiàn)老化，濾棉會發(fā)生破損脫落，可采取更換濾芯的方式對氯氣水霧捕集器進(jìn)行修復(fù)。

2.2 透平機(jī)冷卻器泄漏

氯氣透平機(jī)級間和機(jī)后安裝有氯氣冷卻器，冷卻器出口冷卻水要求不能含游離氯，日常運(yùn)行過程中查看水中含氯ORP 分析儀數(shù)據(jù)曲線， 發(fā)現(xiàn)ORP分析儀數(shù)據(jù)有持續(xù)上漲趨勢時(shí)，要考慮冷卻器列管泄漏故障，此時(shí)要立即在冷卻水取樣口取樣檢測冷卻水內(nèi)是否含有氯，如果明顯含有氯，則可確定冷卻器換熱管泄漏。 雖然3K 氯氣透平機(jī)冷卻器大多采用無壓回水工藝，但發(fā)現(xiàn)冷卻器泄漏必須立即停機(jī)處理，因?yàn)槔鋮s器換熱管少量泄漏時(shí)冷卻水一般不會進(jìn)入氣相系統(tǒng)，冷卻器換熱管從少量泄漏發(fā)展到大量泄漏的時(shí)間都比較短， 當(dāng)泄漏量較大時(shí)，冷卻水會與氯氣一起由氣相管路進(jìn)入透平機(jī)機(jī)殼內(nèi)腐蝕轉(zhuǎn)子，造成設(shè)備事故。確定冷卻器泄漏后，可采取更換冷卻器的方法消除故障。在日常運(yùn)行中應(yīng)注重冷卻器的維護(hù)保養(yǎng)，如在裝置停車檢修時(shí)對冷卻器列管進(jìn)行定檢清洗，冷卻器列管做重防腐處理等措施來延長冷卻器的運(yùn)行周期，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 透平機(jī)供油壓力低

3K 氯氣透平機(jī)供油壓力是非常重要的一個(gè)參數(shù)， 供油壓力直接關(guān)系到透平機(jī)主機(jī)和增速器運(yùn)行安全，供油壓力低可能的原因有：（1）主油路壓力調(diào)節(jié)閥開度過大， 此問題可以將油站出口供油總壓力與進(jìn)主機(jī)供油壓力對比確定， 并采取關(guān)小調(diào)節(jié)閥開度的方法解決。 （2）油過濾器濾芯堵塞，此問題可以根據(jù)雙油過濾器壓差色盤進(jìn)行確定， 色盤正常為藍(lán)色，當(dāng)紅色超過1/2 即可確定油過濾器濾芯堵塞，3K氯氣透平機(jī)設(shè)置有雙油過濾器， 當(dāng)發(fā)生油過濾器濾芯堵塞時(shí)，可以采取切換油過濾器，更換濾芯的方法解決。需要注意的是，油過濾器濾芯更換后需要對檢修后的過濾器實(shí)施充油排氣操作， 避免后續(xù)油過濾器在切換時(shí)油路中有氣泡，出現(xiàn)供油不連續(xù)的隱患。（3）油冷卻器泄漏，具體確定方法可以通過檢查冷卻水中是否含有潤滑油、油站液位是否有降低來確定，3K 進(jìn)口氯氣透平機(jī)設(shè)置有雙油冷卻器，油冷卻器泄漏解決措施可以采取切換冷卻器， 對泄漏的冷卻器換熱管進(jìn)行消漏， 緊急情況在油冷卻器換熱管泄漏根數(shù)較少的情況下可以采取對泄漏的換熱管采用銅堵頭盲堵的方式暫時(shí)修復(fù)管束， 后期再整體更換新管束。 （4）油站內(nèi)部油泵進(jìn)口管口過濾器堵塞、止回閥卡頓，此問題需要停機(jī)對過濾器清理，對止回閥閥桿進(jìn)行研磨修復(fù)。（5）主油泵磨損，3K 氯氣透平機(jī)主油泵采用螺桿泵，發(fā)生磨損的概率相對較低，對前面的問題排查確定后再考慮油泵的問題， 確定后需要停機(jī)拆檢修復(fù)主油泵。

2.4 透平機(jī)供油溫度高

3K 氯氣透平機(jī)供油溫度也是非常重要的一個(gè)參數(shù)，供油溫度正常值一般45 ℃以下，高于55 ℃報(bào)警，油溫過高會造成機(jī)組油路結(jié)焦，供油溫度高的原因通常有：（1）冷卻水供水壓力不足或冷卻水水溫過高， 通過檢測或查閱冷卻水進(jìn)水溫度曲線以及供水壓力趨勢進(jìn)行對比，可判斷出水溫和水壓問題，確定后可以采取提高冷卻水壓力、 降低冷卻水溫度的措施解決。 （2）油冷卻器管程堵塞，此問題會造成冷卻水循環(huán)量小， 較少的冷卻水對潤滑油進(jìn)行冷卻會出現(xiàn)油冷卻器冷卻水進(jìn)出口溫差大，3K 氯氣透平機(jī)通暢設(shè)置有雙油冷卻器， 此問題需要對切換油冷卻器進(jìn)行切換，疏通清洗堵塞的管路。 （3）油路溫控閥失效， 此問題可以通過實(shí)際測量油冷卻器冷卻水進(jìn)出口管路溫差確定，發(fā)生這種情況時(shí)冷卻水溫差小，潤滑油不經(jīng)過油冷卻器大量走旁路， 通過提高油冷卻水供水壓力或降低冷卻水溫度對降低油溫作用不明顯，有效措施是采取停機(jī)更換溫控閥閥芯，修復(fù)溫控閥的方法解決。 （4）軸瓦磨損，軸瓦磨損造成徑向軸瓦和軸徑之間、推力瓦和推力盤之間間隙過大、過小不能形成油膜，磨損發(fā)熱。這種情況通常伴隨有軸振動、位移異常，一般只能采取停機(jī)修復(fù)軸瓦的方法徹底解決。

2.5 透平機(jī)氮氯壓差低或高

3K 氯氣透平機(jī)軸端安裝有三腔迷宮密封，同時(shí)以一定壓力氮?dú)饷芊饴葰獗ＷC15~35 kPa 的壓差實(shí)現(xiàn)氯氣不外溢。 氮氯壓差過大氮?dú)饪赡苓M(jìn)入氯氣系統(tǒng)，影響氯氣純度，壓差過小則會發(fā)生氯氣外溢。 根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，氮氯壓差低的原因有：（1）系統(tǒng)氮?dú)鈮毫Φ停?此問題可以調(diào)取氮?dú)鈮毫?shù)值曲線進(jìn)行確定，通過提高系統(tǒng)氮?dú)鈮毫Φ姆绞脚懦?（2）透平機(jī)軸端三腔迷宮密封磨損， 此問題造成氮?dú)馀c氯氣不能形成有效的密封，一起進(jìn)入尾氯系統(tǒng)，通常的外在表現(xiàn)有尾氯系統(tǒng)次鈉吸收負(fù)荷增加， 此問題短時(shí)間可采取提高氮?dú)鈮毫Φ姆绞骄S持運(yùn)行， 后期必須停機(jī)修復(fù)密封。 （3）氮?dú)夤苈窔鈩娱y故障，開度不足或閥芯堵塞。 此問題的排查確定可以通過觀察氮?dú)饪偣軌毫厔荩?通過調(diào)節(jié)氣動調(diào)節(jié)閥閥位觀察氮氯壓差的變化的方法進(jìn)行，通過氮?dú)庾吲月罚瑢χ髀窔鈩娱y拆檢，檢查氣動閥氣缸膜片、閥芯等排除故障。壓差過高的原因可對照過低的原因?qū)Ρ确治雠懦?/p>

2.6 透平機(jī)IGV 進(jìn)口先導(dǎo)閥不能調(diào)節(jié)

3K 氯氣透平機(jī)在日常運(yùn)行時(shí)，如果長期處于一種穩(wěn)定工況，IGV 進(jìn)口先導(dǎo)閥長期不動作有可能發(fā)生傳動齒圈與先導(dǎo)閥外圓輪轂銹蝕卡澀， 再次調(diào)節(jié)時(shí)可能出現(xiàn)氣動閥閥桿在氣缸的強(qiáng)制動作下將閥桿頭部與IGV 齒圈相連的傳動銷剪斷，IGV 先導(dǎo)閥動作失效無法調(diào)節(jié)。 此問題發(fā)生后操作人員會發(fā)現(xiàn)日常運(yùn)行時(shí)給定IGV 閥位，透平機(jī)進(jìn)口壓力不發(fā)生變化，在初始開車時(shí)透平機(jī)進(jìn)口負(fù)壓大，啟動電流高。根據(jù)拆檢經(jīng)驗(yàn)，IGV 進(jìn)口導(dǎo)向葉輪發(fā)生卡澀的主要原因是IGV 齒圈與輪轂初始配合間隙過小，發(fā)生銹蝕或輕微形變時(shí)動作不靈活。 由于IGV 先導(dǎo)閥的拆檢需要將透平機(jī)主機(jī)的大蓋拆開、 將轉(zhuǎn)子整體吊出后才可實(shí)施， 所以前期可以考慮變更操作的方式運(yùn)行機(jī)組， 啟機(jī)時(shí)提升進(jìn)口充氮壓力至20 kPa 以上，正常運(yùn)行時(shí)通過回流控制進(jìn)口壓力-5~+5 kPa。在具備條件時(shí)對透平機(jī)進(jìn)行拆檢，拆下IGV 先導(dǎo)閥對齒圈進(jìn)行研磨修復(fù)，確保動作靈活，IGV 先導(dǎo)閥連接傳動示意圖見圖2。

圖2 IGV先導(dǎo)閥連接傳動示意圖

2.7 透平機(jī)軸振動、位移異常

3K 氯氣透平機(jī)軸振動值對應(yīng)著徑向軸瓦運(yùn)行狀態(tài)、軸位移值對應(yīng)著推力瓦運(yùn)行狀態(tài)，參數(shù)發(fā)生異常時(shí)，觀察數(shù)據(jù)變化趨勢，采用離線振動檢測儀檢測對比，同時(shí)結(jié)合對應(yīng)點(diǎn)軸瓦溫度確定是軸瓦問題、傳感器問題、機(jī)組找正對中問題還是轉(zhuǎn)子動平衡問題。（1）傳感器問題一般有探頭松動、線路接觸不良，同時(shí)由于透平機(jī)所處環(huán)境為涉氯環(huán)境， 還存在傳感器接線端子腐蝕老化。 排除方法主要是停機(jī)更換傳感器探頭、對線路進(jìn)行檢測重新接線，緊固更換接線端子。 （2）軸瓦問題主要是推力瓦或徑向瓦磨損，透平機(jī)軸瓦正常運(yùn)行時(shí)磨損量非常小， 數(shù)年內(nèi)幾乎檢測不出磨損量，但是當(dāng)出現(xiàn)磨損后，將是一個(gè)急劇惡化的過程，兩年內(nèi)軸瓦與軸徑配合間隙不斷增大，軸振動、軸位移、軸瓦溫度在大趨勢上呈現(xiàn)不斷抬升的過程，只能停機(jī)更換軸瓦。（3）機(jī)組對中找正問題。透平機(jī)組的對中找正就是主機(jī)與增速器、 增速器與驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到統(tǒng)一軸線的調(diào)整過程。 校準(zhǔn)順序通常是主機(jī)與增速器對中、增速器與驅(qū)動電機(jī)對中。由于主機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為10 000 r/min 以上， 機(jī)組的對中找正要求非常高， 通常可以采用百分表測量校準(zhǔn)對中度或采用紅外對中儀測量校準(zhǔn)對中度。（4）透平機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡失衡。 透平機(jī)工作時(shí)， 轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行存在初期不平衡離心力時(shí)，會引起轉(zhuǎn)子的振動造成軸振動異常。 發(fā)生轉(zhuǎn)子動平衡失衡的主要原因是轉(zhuǎn)子流道或葉片部位結(jié)酸泥， 透平機(jī)在運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子不平衡量偏差較小時(shí)，振動值在規(guī)定范圍內(nèi)不影響機(jī)組的正常工作， 但當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行的不平衡力增大到一定值后， 轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生較大的橫向振動，引起軸位移異常，這不僅會影響機(jī)組的正常工作，還會引發(fā)一系列嚴(yán)重后果。 當(dāng)排除透平機(jī)組對中問題、儀表傳感器問題、軸瓦問題，確定是轉(zhuǎn)子問題引起的軸振動軸位移異常時(shí)， 需要及時(shí)停機(jī)對轉(zhuǎn)子檢查清理， 對透平機(jī)進(jìn)口濾網(wǎng)及氯氣干燥工序的酸霧捕集器濾芯進(jìn)行檢查[1]。

2.8 透平電機(jī)溫度異常

3K 氯氣透平機(jī)通常配套同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min高壓電機(jī)，電機(jī)日常需要監(jiān)測驅(qū)動端軸承溫度，非驅(qū)動端軸承溫度、 線圈溫度。 正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承溫度在45~75 ℃，線圈溫度根據(jù)環(huán)境溫度不同在70~100 ℃。電機(jī)溫度高的原因主要有：（1）傳感器故障，也就是電機(jī)軸或線圈實(shí)際溫度不高， 但是由于傳感器探頭損壞、線路破損引起顯示值過高，超過設(shè)定聯(lián)鎖值造成透平機(jī)停機(jī)，裝置停車。在透平機(jī)運(yùn)行過程中曾遇到傳感器故障引起的裝置停車， 通過對傳感器拆檢發(fā)現(xiàn)傳感器探頭腐蝕， 分析原因是由于透平機(jī)處涉氯環(huán)境，長時(shí)間運(yùn)行探頭被氯氣腐蝕老化。避免傳感器故障造成主機(jī)停機(jī)問題可以在裝置停車大檢修時(shí)對電機(jī)軸承及繞組上的探頭進(jìn)行檢查更換。 （2）軸承潤滑不良或潤滑脂加注過量。3K 氯氣透平機(jī)電機(jī)軸承溫度設(shè)置有高溫聯(lián)鎖一般為110 ℃，根據(jù)電機(jī)使用維護(hù)要求需要大約2 個(gè)月對前后端軸承補(bǔ)加45~90 g潤滑脂， 運(yùn)行初期運(yùn)維人員在對電機(jī)軸承補(bǔ)加潤滑脂時(shí)，電機(jī)軸承溫度會出現(xiàn)上漲的情況，考慮到溫度聯(lián)鎖問題，潤滑脂注入量往往達(dá)不到要求量，久而久之電機(jī)軸承出現(xiàn)欠潤滑狀態(tài)， 運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)溫度升高的問題。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在運(yùn)行過程中可以采取暫時(shí)解除軸承溫度高聯(lián)鎖值、保留高報(bào)警值，特護(hù)狀態(tài)下對電機(jī)前后端軸承加注潤滑脂， 確保加注量達(dá)到45~90 g，加注完畢，觀察72 h，溫度趨于正常保持穩(wěn)定后恢復(fù)聯(lián)鎖。 如果潤滑脂加注后電機(jī)軸承持續(xù)高溫，需要及時(shí)清理排油孔的堵塞的廢油，同時(shí)現(xiàn)場可架設(shè)軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制降溫。 （3）電機(jī)軸承磨損，電機(jī)軸承磨損后也會引起軸承溫度高的問題， 軸承磨損通常伴隨有電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)聲音異常，振動值上升，需要停機(jī)對電機(jī)檢修更換軸承。

3 結(jié)語

3K 氯氣透平機(jī)前期運(yùn)行過程中在工況穩(wěn)定的情況下性能是比較穩(wěn)定的， 一般不易出現(xiàn)機(jī)械或電氣儀表方面故障， 前期運(yùn)行過程中應(yīng)關(guān)注好透平機(jī)機(jī)前氯氣水霧捕集器、 酸霧捕集器以及透平機(jī)級間冷卻器運(yùn)行狀況， 避免氯氣將水分帶入主機(jī)造成轉(zhuǎn)子和密封腐蝕。 透平機(jī)運(yùn)行至后期應(yīng)關(guān)注尾氯量及軸振動、 軸位移的變化， 以此來分析判斷透平機(jī)軸瓦、密封及轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)，為主機(jī)預(yù)測性維修做好準(zhǔn)備， 避免過早維修或延遲維修造成經(jīng)濟(jì)損失或發(fā)生設(shè)備安全事故。