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离心压缩机中冷故障导致叶轮损坏分析

  一、引言

  化工装置实际使用中的一些低压和中压压缩机,往往采用多级压缩。即设置中间冷却器,对一级压缩排出的高温空气经过冷却后,再吸入二级气缸进行二级压缩,以达到所需压力。采用二级压缩,是因为要用单级压缩来获得较高的空气压力。只有将压缩比(排气压力与吸气压力之比)提高,这样容积系数就会随压力比的提高而降低。此外,由于压缩比的提高,压缩后的空气温度就会更高,从而使压缩过程及压缩机出现如下缺陷:

  1)压缩比提高后所产生的大量热量,因受冷却条件与冷却效率的限制,不能及时排除,就使多变压缩线远离等温压缩线而偏近绝热压缩线,将大大增加动力的消耗。

  2)压缩空气的温度过高,由于热交换,会使机体整体温度升高,会使润滑油失去原有性能,如粘度降低,导致压缩机的润滑不良而出现故障。严重时,还可能引起机内润滑油的燃烧。

  采用多级压缩,就能达到较高压力的需要。它比单级压缩时的耗功少。经中间冷却器冷却过的压缩空气,温度大为降低,其中的部分永分被析出,也为下一级压缩提供较干燥的低温空气。多级离心式压缩机通常需要设置级间冷却器,经压缩机一级压缩后气体温度高,通过级间冷却器冷却,机组效率提高,所以中冷换热效果质量也深刻影响压缩机的性能。

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  二、机组概述

  空压站K-101C为某国外进口压缩机机组,是一种可靠高效的高速离心式空气压缩机,用来为装置提供无油的压缩空气。压缩机为整体组装,由电机驱动,压缩机与电机采用齿式联轴器连接,整个机组,包括润滑油系统,控制系统及辅助部件,安装在一个公共的钢制台板上。

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  整个压缩机包括:

  1.主电机直接驱动一个各级公用的大齿轮。

  2.每一压缩级包括一个工作叶轮,直接安装在齿轮轴上。

  3.转子包括一个整体小齿轮,由大齿轮按其最佳转速驱动。

  4.在每一压缩级后安装有中间冷却器。

  5.在每个冷却器后安装有一个气水分离器及一套气水分离系统以分离冷凝水。

  空压机性能参数如下:

  型号:C80M×3

  额定流量:13234Nm3/hr

  大气压力:1.01bar

  进气压力:0.99bar

  排气压力:10.5bar

  进气温度:35°

  冷却水温度:33°

  冷却水温升:13°

  第一级冷却器水流量:556L/min

  第二级冷却器水流量:680L/min

  油冷却器冷却水流量:395L/min

  总计冷却水流量:1631L/min

  额定转速:2975rpm

  电机功率:2500HP

  机组联锁项目及设定值:

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  原机组原级间换热器内部结构如图所示:

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  原机组理论设计,空气走管内,水走管外的空气冷却器具有以下几个主要特点:水——接触面与气——接触面是列管式冷却器的两倍,这样使冷却效果更好,温升更低,并且使结垢后而引起机器运行性能变差的可能性更小。因此降低了冷却水流量和冷却器维护保养的工作量。中间冷却器的设计避免了高温管道进出空压机的连接问题。在设计中没有外露的管道,避免了在管路中采用价格昂贵的膨胀节。水走管外还起着隔绝气流噪音的作用,空气冷却器可在运行时进行反冲或现场清洗。这两种方法都最大限度地降低了清洗冷却器所需的停机时间。

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  但现实环境由于循环冷却水水质问题,且机组安装时并没有配置相应的循环冷却水滤芯,换热器没有达到应有的效果,实际运行中,压缩机排气温度始终偏高。最终决定更换级间换热器,实现国产化。如图所示:

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  进行国产化:

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  机组有两个级间换热器,分别为一级到二级之间,二级到三级之间。

  机组原装换热器拆除,如图所示:

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  新换热器气路通道焊接支撑板。新旧换热器内部有差别,新换热器里面没有丝网除沫器。下图:

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  新换热器焊接安装后外形图:

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  三、换热器支撑板脱落故障

  机组新换热器改造后,换热效果大大改观,满足了机组排气温度要求。运行半年后机组各项工艺参数指标正常。2021年4月15日,机组在运行中突然出现联锁停机,仪表专业检查联锁原因,确认是二级转子振动超标联锁启动联锁停机。

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  根据仪表监测结果,首先对压缩机二级转子及二级进气导管,扩压器进行拆除检查,经过解体检查发现,二级叶轮扩压器中有上图所示铁块,叶轮已经被铁块打击变形,盘车有刮蹭声音。至此,决定将各级均打开检查,最终发现,铁块是一级换热器支撑筋板腐蚀脱落。经过对腐蚀部位检查分析认为:支撑筋板强度尺寸弱,焊点没有满焊,装置地处海边,空气中盐分偏高,造成腐蚀异常,最终导致筋板腐蚀断裂脱落,进入到二级叶轮处,造成叶轮损坏,导致机组振动联锁停机。最终对机组两个级间换热器都重新仔细检查,没有满焊的筋板重新打磨焊接,一级与二级之间的换热器也有一定腐蚀,重新打磨补焊,将强度弱的加强筋板进行更换。

  四、分析检查

  通过对机组各级拆检过程各部检查说明,在日常机组定期例行保养上,存在检查缺失项,没有设置检查附属系统换热器的各部位结构腐蚀项目。并且机组三年大修时,换热器管束只做了清洗打压,没有对整体筋板做进一步的减薄测量与防腐处理,没有参照图纸复核支撑结构件的长周期腐蚀减薄量,这是造成此次设备事故的主要原因。而换热器筋板设计偏薄、装置环境地处近海、空气潮湿、易产生盐雾腐蚀是次要原因。本次设备事故暴露出机组特护设备在日常保养及检修时,只重视机组主机范围内的检查与测量,但机组辅助系统换热器的检查检修流于常规检查,只是清理疏通管束、除垢、除锈,没有专业的对换热器结构尺寸进行减薄测量复核,且没有对腐蚀部位进行防腐处理,最终导致机组出现设备事故。从此次设备事故,显现出定期局部保养检查的必要性。机组因所处环境不同,日常例行保养与定期检查特殊项目必须检查到位。为此,设备部重新修订换热器日常保养项目内容,定期换热器专项检查检测,检修换热器必要检查隐患项目。做到机组各部全程监测,处处质量可控,特护机组每一个环节都应特别对待。

  五、回装检查

  本次设备事故造成二级叶轮损坏,二级齿轮轴弯曲损坏,气封磨损失效,油封磨损失效,扩压器磨损,转子径向轴承碎裂脱落。

  下图为叶轮损坏图:

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  叶轮在扩压器内部,叶轮拆除后,三元流扭叶被脱落的铁块击打变形扭曲,给予更换。

  二级扩压器内圆弧面因叶轮变形刮蹭,表面损伤,如图所示:

  二级扩压器圆弧面经激光熔覆修复后如图所示:

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  下图为二级齿轮轴磨损弯曲及旧气封拆解:

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  旧二级齿轮轴与旧气封分解图:齿轮轴与气封油封配合处已磨损出数道沟槽。旧二级齿轮轴与新齿轮轴对比图:

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  旧二级齿轮轴因叶轮变形与扩压器刮蹭后导致已弯曲变形,没有修复价值,因而更换。

  二级齿轮轴转子总成进行整体更换,气封与油封因齿轮轴弯曲造成损坏,给予更换。二级新转子总成如图所示:

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  二级转子的损坏,使转子振动加剧,也导致轴承接触部位巴士合金出现局部碎裂脱落,径向轴承拆出给予更换。由于轴承碎裂,巴士合金掉落齿轮箱,随即将齿轮箱底清理彻底,润滑油用过滤机进行过滤后使用。

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