王芝明，王凱，徐鑫金

（1.煙臺(tái)萬(wàn)華華東建設(shè)工程有限公司；2.萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)設(shè)備運(yùn)維管理有限公司，山東 煙臺(tái) 264002）

1 概況

某合成氨裝置是上世紀(jì)70 年代引進(jìn)美國(guó)凱洛格生產(chǎn)技術(shù)，2005 年進(jìn)行了擴(kuò)能改造，日產(chǎn)合成氨1500t。合成氣壓縮機(jī)組（103J）是隨裝置引進(jìn)美國(guó)DELAVAL 的關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是將溫度7.5℃、壓力2.5MPa 的合成氣加壓至14.1MPa 送至合成塔進(jìn)行氨合成反應(yīng)。機(jī)組由高壓背壓式汽輪機(jī)（103JAT）、中壓凝汽式汽輪機(jī)（103JBT）、低壓缸和高壓缸組成；高壓汽輪機(jī)額定功率14914kW，中壓汽輪機(jī)額定功率5593kW，機(jī)組額定工作轉(zhuǎn)速為10850r/min。

機(jī)組油系統(tǒng)包含潤(rùn)滑油、調(diào)速油、密封油3 部分，其中主、輔潤(rùn)滑油泵為單級(jí)離心泵，主、輔密封油泵為齒輪泵，一臺(tái)汽輪機(jī)軸伸兩端分別連接主潤(rùn)滑油泵與主密封油泵；一臺(tái)電機(jī)軸伸兩端分別連接輔潤(rùn)滑油泵與輔密封油泵；主輔密封油泵的入口為潤(rùn)滑油泵出口的一個(gè)分支。機(jī)組原采用機(jī)械液壓式調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速控制，2008年9 月進(jìn)行了電子調(diào)速改造，取消原飛錘式超速保護(hù)系統(tǒng)，選用3 取2 電子超速保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)，新增了1臺(tái)速關(guān)組件和2 臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)。

2 影響機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行問(wèn)題原因及處理分析

2.1 高壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂

2016 年6 月3 日，高壓汽輪機(jī)（103JAT）轉(zhuǎn)子振動(dòng)聯(lián)鎖跳車，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)查看汽輪機(jī)的運(yùn)行趨勢(shì)、波形、相位變化及頻譜圖、軸心軌跡，發(fā)現(xiàn)在汽輪機(jī)振動(dòng)增大時(shí)，以一倍頻為主，存在低頻成分，相位改變，分析轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡發(fā)生改變，并出現(xiàn)了碰磨現(xiàn)象，解體檢修發(fā)現(xiàn)第三級(jí)一葉片從根部斷裂，與隔板發(fā)生碰磨，斷裂葉片前后對(duì)比如圖1 所示。

圖1 高壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片斷裂前后對(duì)比照片

該轉(zhuǎn)子是由國(guó)內(nèi)某化工機(jī)械廠完全按照Delaval 原設(shè)計(jì)加工、生產(chǎn)制造的二級(jí)改三級(jí)國(guó)產(chǎn)化節(jié)能轉(zhuǎn)子，斷裂的第三級(jí)葉片為自帶圍帶并在頂部整圈裝配內(nèi)置拉筋，葉片材質(zhì)為AISI422 不銹鋼，拉筋材質(zhì)為TC4 鈦合金，分析該轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生斷裂的主要原因如下：

（1）對(duì)斷裂葉片進(jìn)行金相組織分析，葉片中非金屬雜物超標(biāo)，葉片的承載能力降低導(dǎo)致斷裂。葉片金相組織中非金屬夾雜物如圖2 所示。

圖2 斷裂葉片金相組織照片

（2）葉片內(nèi)置拉筋安裝工藝的影響。該轉(zhuǎn)子第2、3 級(jí)葉片是內(nèi)置拉筋結(jié)構(gòu)，拉筋的制造和安裝都是有間隙的松裝，然后冷滾壓成型，如圖3 所示，安裝后內(nèi)置拉筋與葉輪槽存在間隙，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)拉筋振動(dòng)摩擦發(fā)生斷裂，導(dǎo)致葉片振動(dòng)發(fā)生斷裂。

圖3 松拉筋安裝示意圖

2016 年對(duì)發(fā)生葉片斷裂的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了修復(fù)和改造：葉片和拉筋材質(zhì)不變，更換了第二、三級(jí)所有葉片及葉頂內(nèi)置拉筋，嚴(yán)格控制葉片中非金屬夾雜物在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，委托專業(yè)拉筋廠加工，保證尺寸誤差，并將原來(lái)的直拉筋加工成圓弧狀，由原來(lái)的冷滾壓改成熱滾壓安裝，改造后未發(fā)生葉片斷裂。

2.2 中壓汽輪機(jī)推力瓦靜電腐蝕磨損

2013 年9 月，中壓汽輪機(jī)（103JBT）軸位移突然上升，2013 年12 月，軸位移上升至聯(lián)鎖值。檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)103JBT 止推軸承瓦塊（金斯博雷軸承）和轉(zhuǎn)子推力盤主推力面嚴(yán)重磨損，最大磨損處已經(jīng)接近1mm。檢修更換轉(zhuǎn)子及新的推力瓦塊后，運(yùn)行幾天后103JBT 軸位移再次出現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，裝置停車對(duì)止推軸承進(jìn)行了檢查，止推軸承瓦塊出現(xiàn)磨損。推力盤和止推瓦塊磨損如圖4 所示。

圖4 止推盤和止推瓦塊磨損情況

圖5 放電裝置

從圖4 中可以看出推力盤表面全部呈麻狀面，瓦塊磨損部位的表面也出現(xiàn)了麻點(diǎn)，表明呈銀灰色，類似經(jīng)過(guò)噴砂一樣，而且磨損區(qū)域與未磨損區(qū)域出現(xiàn)了一條明細(xì)的分界線。

中壓汽輪機(jī)（103JBT）為凝汽式汽輪機(jī)，隨著蒸汽的做功，在轉(zhuǎn)子的末級(jí)和次末級(jí)會(huì)出現(xiàn)蒸汽冷凝的液滴，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)葉片與液滴摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，通常這個(gè)靜電不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)行造成影響，但隨著靜電聚集超過(guò)一定電壓，就會(huì)擊穿軸承與軸間的油膜，在瓦塊上產(chǎn)生凹坑，導(dǎo)致靜電腐蝕，油楔被破壞，瓦塊磨損，軸位移增加。一般認(rèn)為，足以引起軸承電流損傷的電壓在20V 以上，典型的軸承損傷電壓在30 ～100V。另外該設(shè)備之前從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)這樣的故障，此次變動(dòng)是把原來(lái)的潤(rùn)滑油牌號(hào)進(jìn)行了更換，更改潤(rùn)滑油后，軸承油楔中的油膜減薄使得油膜更容易被擊穿。根據(jù)103JBT 止推軸承磨損的特征，磨損面存在麻點(diǎn)的情況，結(jié)合各類資料可以判定磨損的現(xiàn)象為靜電腐蝕。為了解決該問(wèn)題采取了以下措施：

（1）對(duì)機(jī)組潤(rùn)滑油進(jìn)行更換，將某牌潤(rùn)滑油換成以前使用的長(zhǎng)城牌SH46 合成抗氨汽輪機(jī)油。

（2）API612 要求“凝汽式汽輪機(jī)應(yīng)在軸的同一端安裝兩只接地電刷”，在汽輪機(jī)軸端安裝了導(dǎo)靜電刷，安裝后使用萬(wàn)用表測(cè)量轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)對(duì)地電壓，從不安裝電刷的36V 降低到0.5V。該裝置安裝以后，運(yùn)行至今未發(fā)生推力瓦磨損的故障。

2.3 主輔油泵切換機(jī)組聯(lián)鎖跳車

合成氣壓縮機(jī)從2008 年電子調(diào)速的改造后，始終存在主、輔油泵切換，主油泵打閘停機(jī)，機(jī)組發(fā)生跳車的問(wèn)題，嚴(yán)重影響機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。

現(xiàn)象為主、輔油泵切換，主油泵打閘停機(jī)或緩慢降低轉(zhuǎn)速停機(jī)，或者主油泵因故障停機(jī)，輔油泵聯(lián)鎖啟動(dòng)后調(diào)速油壓波動(dòng)，調(diào)速油壓最低下降至470～480kPa 時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速開(kāi)始快速下降，直至200r/min，機(jī)組失速聯(lián)鎖動(dòng)作跳車。電子調(diào)速改造主要增加了1 臺(tái)速關(guān)組件和2臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)，速關(guān)組件內(nèi)部控制原理圖見(jiàn)圖6 所示，電液轉(zhuǎn)換器供油切換閥2050 的動(dòng)作原理為：圖中P 為調(diào)速油進(jìn)油，當(dāng)開(kāi)啟手輪閥1830 建立起速關(guān)油后，速關(guān)油作用到切換閥2050 頂部，速關(guān)油克服彈簧力將2050 閥打開(kāi)，使得調(diào)速油P 進(jìn)入到電液轉(zhuǎn)換器內(nèi)，電液轉(zhuǎn)換器接收4～20mA 信號(hào)將調(diào)速油轉(zhuǎn)換成0.15～0.45MPa 二次油作用到伺服機(jī)構(gòu)上來(lái)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)氣閥控制轉(zhuǎn)速。

圖6 103J 速關(guān)組件控制原理圖

2017 年12 月，將拆下的速關(guān)組件送至廠家進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切換閥2050 的動(dòng)作值為0.57MPA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值0.30～0.35MPA，即當(dāng)調(diào)速油壓力低于0.57MPA 時(shí)就會(huì)造成切換閥2050 閥關(guān)閉，電液轉(zhuǎn)換器供油被切除，二次油壓全都降至0，汽輪機(jī)調(diào)汽閥關(guān)閉，轉(zhuǎn)速低于200r/min 時(shí)系統(tǒng)判斷為失速而跳車。主輔油泵切換機(jī)組跳車原因是2008 年機(jī)組進(jìn)行電子調(diào)速改造后，速關(guān)組件和伺服機(jī)構(gòu)的用油量增大，潤(rùn)滑油泵流量不能滿足需要，調(diào)速油壓力下降至 0.67MPA，而切換閥2050 的動(dòng)作值為0.57MPA，設(shè)定過(guò)高，在主輔油泵切換過(guò)程中，油壓波動(dòng)，調(diào)速油壓低于0.57MPA 而造成2050 閥關(guān)閉，造成機(jī)組跳車。為了解決問(wèn)題，采取以下改進(jìn)措施：（1）對(duì)主、輔泵的潤(rùn)滑油泵進(jìn)行擴(kuò)能，增大葉輪尺寸，提高總油量。更換新葉輪后，調(diào)速油壓力由0.67MPA 提高到0.87MPA。（2）將油系統(tǒng)中的膠囊式預(yù)充氣蓄能器改為氣液直接接觸式蓄能器。該氣液直接接觸式蓄能器為專門研制，提高了供油量和蓄能時(shí)間。（3）將速關(guān)組件中切換閥2050的動(dòng)作壓力值由0.57MPa 調(diào)整至0.32MPa( 標(biāo)準(zhǔn)值為：0.3～0.35MPa)。采取以上措施后，徹底解決切換跳車問(wèn)題。

2.4 電液轉(zhuǎn)換器卡澀故障

2019 年1 月4 日，合成氣壓縮機(jī)高壓透平（103JAT）提板閥PRC12 突然關(guān)小造成蒸汽和油系統(tǒng)波動(dòng)，1 月4 日至10 日期間，一直存在緩慢波動(dòng)的情況。具體現(xiàn)象為控制提板閥PRC12 開(kāi)度的二次油壓力不穩(wěn)定，隨著調(diào)速油壓力波動(dòng)，造成PRC12 閥位開(kāi)度波動(dòng)，因PRC12 控制的是高壓蒸汽，PRC12 閥關(guān)小后造成汽輪機(jī)出口蒸汽壓力降低，從而影響到主潤(rùn)滑油泵驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力，進(jìn)汽壓力降低造成主潤(rùn)滑油汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降，調(diào)速油壓力降低，PRC12 電液轉(zhuǎn)換器輸出二次油壓隨調(diào)速油壓力降低而減小，PRC12 再次關(guān)小，造成蒸汽系統(tǒng)和油系統(tǒng)波動(dòng)。且在調(diào)整PRC12 閥位時(shí)存在不動(dòng)作或嚴(yán)重滯后的情況，經(jīng)排查和分析，最終判斷為機(jī)組速關(guān)組件上的電液轉(zhuǎn)換器內(nèi)部錯(cuò)油門發(fā)生卡澀。

卡澀的原因分析有以下2 點(diǎn)：（1）PRC12 長(zhǎng)期閥位不調(diào)整，造成電液轉(zhuǎn)換器錯(cuò)油門與殼體間形成氧化物或粘稠物造成卡澀。（2）潤(rùn)滑油使用后氧化產(chǎn)生漆膜和油泥，造成電液轉(zhuǎn)換器錯(cuò)油門卡澀。該機(jī)組潤(rùn)滑油在2018 年12月7 日進(jìn)行了清潔度分析，按油品潔凈標(biāo)準(zhǔn)NAS1638 判定為9 級(jí)，而電液轉(zhuǎn)換器要求的油品清潔度NAS1638 為7 級(jí)，而103J 調(diào)速油過(guò)濾器過(guò)濾精度為10μ，無(wú)法達(dá)到NAS1638 為7 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

為了解決電液轉(zhuǎn)換器卡澀的問(wèn)題，采取了以下不停機(jī)處理方法：

（1）使用2 臺(tái)螺旋千斤頂將PRC12 汽閥頂住，斷開(kāi)PRC12 汽閥與油動(dòng)機(jī)拉桿，然后在60%～100%閥位范圍內(nèi)以最大20%閥位變化調(diào)整PRC12 開(kāi)度。

（2）對(duì)機(jī)組潤(rùn)滑油進(jìn)行部分置換，減少油系統(tǒng)中雜質(zhì)。同時(shí)使用平衡電荷凈化濾油機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行過(guò)濾。過(guò)濾15 天后，潤(rùn)滑油清潔度達(dá)到了NAS1638 為8 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）將油動(dòng)機(jī)滑閥底部振幅調(diào)整頂絲開(kāi)大，提高二次油的回油量，增加對(duì)電液轉(zhuǎn)換器的干擾，避免卡澀。

（4）對(duì)PRC12 定期地改變開(kāi)度進(jìn)行擾動(dòng)，增加調(diào)速油的流動(dòng)，防止油中析出的氧化物或粘稠物在縫隙處聚集。

經(jīng)過(guò)以上處理后，電液轉(zhuǎn)換器卡澀故障基本已解決，避免了裝置停車。另外為了徹底避免電液轉(zhuǎn)換器卡澀故障再次發(fā)生，在停機(jī)的時(shí)候采取以下改進(jìn)措施：

（1）在調(diào)速油上油管線上增設(shè)1 組5μ 高效過(guò)濾器，增強(qiáng)調(diào)速油系統(tǒng)抗污染能力。

（2）在每個(gè)大修期間由專業(yè)廠家對(duì)所有電液轉(zhuǎn)換器進(jìn)行清洗和調(diào)試。

（3）改進(jìn)電液轉(zhuǎn)換器安裝模塊，增設(shè)二次油切除閥門，可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)更換電液轉(zhuǎn)換器。

2.5 高壓汽輪機(jī)油封積碳摩擦振動(dòng)問(wèn)題

2019 年9 月28 日05∶43，高壓汽輪機(jī)103JAT 入口側(cè) 3H-3V 振值同時(shí)從13um 上漲達(dá)到47.71um，05∶48 恢復(fù)正常，持續(xù)時(shí)間5min42s，出口側(cè)4H-4V 都同時(shí)有相應(yīng)變化，振值上升時(shí)相位從37°變化成246°，軸心軌跡也有變化，振值變化和持續(xù)時(shí)間如圖7 所示。

圖7 103JAT 振動(dòng)波動(dòng)趨勢(shì)

運(yùn)行幾天后，10 月1 日、10 月6 日、10 月12 日、10 月15 日、10 月18 日、10 月21 日、10 月22 日再次出現(xiàn)類似振值，最高振值達(dá)到58.8um，處于黃燈報(bào)警，發(fā)生時(shí)間由間隔5～6 天減少為2～3 天發(fā)生1 次，每次持續(xù)時(shí)間5～7min 后恢復(fù)正常，經(jīng)分析判斷為103JAT 出口側(cè)油封內(nèi)積碳碳化，碳化物累計(jì)以后與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨，瞬間轉(zhuǎn)子的固有頻率值就會(huì)上升，當(dāng)剝離飛散后，峰值恢復(fù)原值，振動(dòng)下降，之后再次出現(xiàn)堆積、接觸、飛散的過(guò)程，為了不停機(jī)解決該問(wèn)題，在103JAT 汽封和油封間隙處安裝1 個(gè)銅板+石棉板的復(fù)合板，保證汽封漏氣不會(huì)對(duì)油封進(jìn)行加熱，導(dǎo)致潤(rùn)滑油碳化，同時(shí)對(duì)103JAT汽封和油封間增加氮?dú)獯祾撸扇∫陨洗胧┖?，振?dòng)波動(dòng)明顯好轉(zhuǎn)，波動(dòng)時(shí)間從2～3 天延長(zhǎng)至8～10 天，波動(dòng)時(shí)振值也下降至報(bào)警值。裝置檢修時(shí)檢查兩端油封，發(fā)現(xiàn)排氣端氣封中潤(rùn)滑油進(jìn)入碳環(huán)嚴(yán)重，導(dǎo)致摩擦，如圖8所示，檢修對(duì)油封進(jìn)行了更換，并在氣封和油封間增加了氮?dú)獯祾?，運(yùn)行至今未出現(xiàn)以上故障。

圖8 103JAT 排氣側(cè)氣封內(nèi)進(jìn)油積碳照片

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采取以上措施，解決了影響合成氣壓縮機(jī)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問(wèn)題，保障了合成氨裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。