透平式氯氣壓縮機高速轉子損壞原因探析

楊金順

（中國平煤神馬集團開封東大化工有限公司，河南開封475003）

隨著中國氯堿工業近十年的高速發展，尤其是離子膜法燒堿逐步取代隔膜法燒堿，透平式氯氣壓縮機得到快速普及而逐步取代液環式壓縮機。杭州陽光集團求是透平機制造有限公司生產的透平式氯氣壓縮機，其規格由3萬t/a到15萬t/a，大多運行情況良好，其中，有眾多的連續穩定運行數年的企業及機組，但也有個別企業、個別臺位、個別時段多次出現高速轉子損壞的例子。為了查清原因，杭州陽光集團曾出資請浙江工業大學強度工程及軟件研究所等單位對透平機高速轉子進行破壞性試驗，并結合多年售后服務維修實踐經驗，總結分析事故原因，提出了改進措施并實施，大部分問題得到了較為滿意的解決。

1 軸承瓦塊損壞的原因

對于有5塊瓦塊且最下瓦塊居中的軸承，磨損一般多發生在正下方瓦塊及其軸轉動方向的后一個瓦塊，嚴重的損壞會導致瓦塊巴氏合金熔融、裂紋或碎裂。

1.1 頻繁啟動與停車

透平式氯氣壓縮機屬高速旋轉機械，其高速轉子的轉速大多為2萬r/min左右。在設計時，選用了可傾瓦塊軸承，該軸承屬多油楔動壓軸承，其原理是在轉子高速旋轉時，軸徑與瓦塊之間形成具有一定剛度和承載能力的油膜，從而使轉子在完全潤滑狀態下工作。在靜止狀態下啟動或停車時，瓦塊會有一定的磨損，故透平式氯壓機不適宜頻繁地啟動或停車。

1.2 潤滑油質量低

潤滑油質量包括潤滑油本身的技術質量指標及潤滑油品種的適用性。前者主要是黏度、黏度指數、酸度、抗乳化度、抗氧化性、水份、機械雜質；后者主要是種類、牌號。

油品的黏度隨牌號增加而增加。一般來說，低黏度油品適用于高速輕載，高黏度油品適用于低速重載。牌號小的油品，其黏度低、內摩擦小、導熱性好，故在可以實現完全潤滑的前提下，應選用牌號小的油品。如低黏度油品在一定工況下使用中發現不能實現完全潤滑，就應當試用黏度高一級的油品。

油品的黏度指數反映油品黏度隨溫度變化的趨勢，酸度、水分對該指標都有影響。

機械雜質對油膜的形成不利，從而影響軸承的承載能力。

1.3 高速轉子的機械振動

有文獻認為，油膜自激振蕩是透平機高速轉子振動的主要原因。但這些文獻往往忽略的是，可傾瓦塊軸承因隨轉速和載荷的變化，瓦塊可自動調整傾斜度，從而形成合適且相對穩定的瓦塊進油側間隙和出油側間隙的間隙比h1/h2（見圖1）。故極少發生油膜自激振蕩。高速轉子振動超標主要有以下原因。

圖1 瓦塊布置和油膜力

（1）葉輪結垢。有的企業氯氣干燥除霧效果不好，達不到150 mg/m3的這些雜質及其管道腐蝕生成物在葉輪流道尤其在葉片的吸力面形成積垢，如垢體松脫或不均勻，葉輪動平衡就會失效導致振動。

（2）葉輪腐蝕。氯氣中酸、水超標，會對葉輪形成沖刷和腐蝕的雙重作用，導致葉輪動平衡失效，產生振動。

（3）轉子充氣密封段腐蝕。如密封氣帶水、帶油，會對梳齒套造成腐蝕從而影響動平衡并導致振動。

（4）操作不當。當進出口閥門調節不當，自動回流不靈，后系統用戶用量減少，會造成氯壓機進口壓力過低，出口壓力過高，當其壓縮比（即透平機排氣與進氣的絕對壓力之比）超過允許值時，就會發生“喘振”。

（5）主電機與低速軸承對中不良。當主電機與低速軸對中不良時，除其本身會振動超標易磨損外，低速齒輪還會對高速齒輪產生額外載荷，加快高速軸承瓦塊磨損。

1.4 機組負荷相對過載

從發生問題的氯壓機組運行的表面狀況看，這一問題似乎不存在，但從運行條件綜合分析則未必。

由于設備臺位不同，并聯運行時條件未必相同，閥桿松動引起的開度不同，都可能引起個別設備偏載。透平式氯壓機在設計時，都假設有一定條件，并選擇效率最高時的工況點作為設計工況點，設備應在此工況點附近運行。但當實際運行工況偏離設計工況較多時，則應視作過載。例如，某企業氯氣透平機經常損壞，從電機電流、排氣壓力、進氣壓力等情況看不出有任何超載現象，但經設備生產廠家檢查發現，由于透平機進氣測壓點裝在進氣閥門之前，不能真實反映透平機的進氣壓力，致使壓縮比超過設計值，在調大進氣閥開度后，運行轉入正常。

（1）排氣壓力過高。進氣條件一定時，排氣壓力超過一定值即應視為過高，這一值可從實際壓縮比與設計壓縮比相比較而得。

（2）進氣壓力過低。排氣條件一定時，進氣壓力低于一定值即應視為過低，判斷方法同上。

（3）進氣溫度過高。壓縮機所能達到的進排氣壓力增加值與進氣密度成正比，而進氣密度與進氣絕對溫度成反比。對于多級壓縮，后級進氣溫度高，意味著級間冷卻不好，前級排氣壓力升高，壓縮比升高。

（4）氯氣純度過低。氯氣分子量為71，空氣平均分子量為29，氯氣系統泵前（即氯壓機前）為負壓輸送，其中含有極少量氫氣，并會混入部分空氣，而氯氣純度降低就意味著密度降低，葉輪產生壓力的能力就降低，如按正常壓力操作，就可能發生“喘振”。例如，某企業選用的透平式氯壓機設計進氣壓力為0.09 MPa（A），排氣壓力為 0.36 MPa（A），氯氣純度為96%，但在車開車時，排氣壓力為0.26 MPa（A）時，即發生 “喘振”。經現場查看，進氣壓力為0.075MPa（A），溫度為二十攝氏度左右，取樣分析，氯氣純度為60%，由于雜質氣體含量高致使進氣密度降低，而壓縮機允許運行的壓縮比會隨進氣密度降低而降低。雖然，壓縮比為2.9，與設計值4.0尚有距離，但實際上已超過設備能力。

2 葉輪損壞原因

2.1 葉輪腐蝕

葉輪腐蝕有以下原因。

（1）氯氣質量過低，其中的水、酸、雜質物會產生腐蝕。

a.氯中含水。水在氯氣中能生成次氯酸和鹽酸，這二種物質對鐵和不銹鋼都有很強的腐蝕性。如水是以霧滴狀存在，對葉輪還會有沖刷侵蝕作用。

b.氯中帶酸。如干燥除霧效果不好，干氯氣中攜帶的霧滴在葉輪葉片的壓力面會形成沖刷侵蝕，并在葉輪的吸力面和彎角處形成積垢。如氯中同時帶水超標，對葉輪會有腐蝕。

c.氯中雜質。氯中雜質可能從干燥系統中來，也可能是氯中含水帶酸超標對鋼管腐蝕后帶來，這些物質組分復雜，對葉輪腐蝕機理亦較復雜，并易在葉輪上結垢。

（2）維修時保護不好。維修時保護不好或維修后干燥氮氣（或干燥空氣）置換不充分，導致空氣及水份混入氯氣管道和設備中使葉輪腐蝕。

2.2 葉輪“燒蝕”

（1）轉子振動或機組“喘振”可能引起葉輪與端密封和殼體發生摩擦，嚴重時，產生“氯火”燒蝕。典型的“氯火”燒蝕，可見到殘留部分色澤仍正常或局部烤藍，而“燒蝕”部分的物質則不知去向。

（2）軸承嚴重磨損與損壞時對軸失去約束力，導致葉輪與配合件摩擦發生“氯火”燒蝕。

（3）梳齒套損壞導致動平衡破壞，引起摩擦發生“氯火”燒蝕。

2.3 葉輪磨損與變形

當各種原因引起轉子振動超標或 “喘振”發生時，閉式葉輪表現為與配合件的摩擦造成磨損；半開式葉輪則表現為葉片與配合件的摩擦，對配合件的刮削，嚴重時，其自身發生彎曲變形。

3 梳齒套損壞的原因

梳齒套套裝在高速齒輪軸上，并有鉚釘固定，其與裝在齒輪箱上的氣封環形成無摩擦配合，組成迷宮密封，目前氣密封分為3段密封或4段密封，其結構示意圖見圖2。其中，3段密封沒有去次氯塔的廢氯管線。

能引起葉輪損壞的原因，大多也會同時引起梳齒套及氣封環的損壞。以下著重根據結構原理分析密封氣、廢氯氣及回抽氣對迷宮密封的影響。

（1）密封氣質量低。

目前，透平式氯壓機使用的密封氣為干燥氮氣或干燥空氣。

如密封氣含水量超標，進入迷宮密封會向葉輪方向流動，遇到氯氣即會對梳齒套造成腐蝕，使密封失效，或是引起轉子動平衡破壞，導致整個轉子及相配合件的損壞，還可能引起氯氣泄漏，污染壞境。更有甚者，使齒輪箱、油箱潤滑油氯化、燃燒變質，生成黑色黏稠物質，極難清洗干凈，導致潤滑油色澤變黑變紅，甚至導致齒輪箱及整個機頭損壞。

密封氣含油的問題很多人不相信，認為干燥氣體經過很多工序，不可能含油，但事實確實存在，如南方某廠的氯氣透平機采用氮氣密封，在經空壓機、冷干機、制氮機、干燥器及多次除霧過濾后才送往各氮氣用戶，到氯壓機廠房又增加干燥過濾，而在進氯壓機密封系統的管子里仍然檢查出很大油滴。此事例證明除油并非易事。

圖2 密封結構示意圖

密封氣帶油進入密封裝置后，無論是油滴還是油霧，會立即形成霧狀，而油霧遇到高濃度氯氣有可能立即燃燒，從而使梳齒套和氣封環變色、變質甚至“燒蝕”。浙江工業大學強度工程及軟件研究所進行的氯在油氣條件下對梳齒套的損壞試驗也證明了這一點，梳齒套損壞試驗見圖3。

圖3 梳齒套的損壞試驗情況

粒徑大的機械雜質會使梳齒套摩擦損壞甚至發生“氯火”燒蝕。

密封氣壓力過低將起不到密封作用。

（2）未開密封氣或開量過小。

此時，等同于無密封氣或密封氣壓力過低，其危害視迷宮密封情況而定。如果迷宮密封效果不好，且氯氣回抽及廢氯抽吸效果不好，可能造成氯氣外泄。如近葉輪處的迷宮密封效果良好且氯氣回抽及廢氯抽吸效果良好時，則可能發生下列情況。

a.空氣由密封氣排放口被吸入，其中的水分遇氯會對梳齒套造成腐蝕。

b.油氣由密封氣排放口被吸入，遇氯反應升溫，導致密封件變形摩擦，引起軸振，軸瓦溫升增高，甚至發生‘氯火’燒蝕。

c.由于氯氣回抽管是從后段迷宮密封通往一級進氣口，該處有較高的負壓，如果廢氯抽吸管（通往除害塔或次氯吸收塔）的抽吸負壓較小，就可能使含有大量濕氣的廢氯從除害塔（或次氯塔）抽吸到氯氣回抽口，這不僅會對梳齒套的腐蝕，而且會對葉輪造成腐蝕。

（3）轉子的機械振動。

4 高速齒輪軸損壞原因

（1）透平式氯壓機常見的齒輪損壞形式是磨損、斷齒、退火等，大多發生在嚴重“喘振”，軸承嚴重損壞，齒輪箱“氯火”等極端情況下。

（2）當軸承潤滑不良，轉子嚴重振動時，軸瓦可能過熱，嚴重時巴氏合金熔化甚至與軸徑膠合，或軸瓦基底與軸發生摩擦，都會使軸承處軸徑磨損失效。

（3）“氯火”燒蝕。大多發生在梳齒套及葉輪處，當“氯火”嚴重燒蝕時，會傷及高速軸本身。

5 改進措施

通過以上分析，為保證透平式氯壓機能夠長周期安全穩定運行，建議在新建氯氣干燥裝置中，盡可能采用二級填料塔加一級泡罩塔，可以節約干燥用硫酸，也可以減少氯中含水量。在運行中，適當降低氯氣離塔溫度，以利于后序除霧。在硫酸除霧器中，推薦采用孟山都或其他除霧效率高的濾芯，并保證適當表面過濾氣速，減少硫酸及酸泥的夾帶。對于已建成裝置，盡可能依上述要求改造。不管采用何種方案，都必須將水含量控制在150×10-6以下。

在設備日常運行中，要盡量減少開停車次數，以減少軸承瓦塊不必要的磨損。

在密封用氣方面，不管采用氮氣還是干燥空氣，在保證露點為-40℃以下的同時，密切關注密封氣的含油量，建議在密封氣進入透平機前增加除水、除油設施及過濾器。

在透平機操作中，要確保進出口的壓縮比不超標，并要根據氯氣純度適當降低壓縮比，以免發生“喘振”。

對于潤滑油，在冬季可用黏度低的潤滑油，如32號油；在夏季，建議用黏度稍高的潤滑油，如46號油。由于各企業的地理位置不同、臺位不同、使用條件不同，在32號油運行狀況不滿意時，不妨試用46號油。不管用何種牌號的潤滑油，都要使用正品優質油。

由于設備存在“相對”過載現象，在設備選型時，建議適當留有余地，但余地不宜過大。在實際運行中，建議摸索適應該設備的運行條件。如出現“喘振”征兆，要立即開啟小回流。

要密切關注設備運行狀況，定期予以分析評估，當設備運行異常時，應及時檢查原因并排除，必要時按照設備操作規程及時停車檢查。建議不少于每年一次的定檢，根據情況予以維修保養，更換磨損超標的零部件，以免個別零部件失效殃及其他部件和整機的正常運行。建議要專人維護設備，由專業人員檢修。

在設備檢修時，一定要注意拆解件及部位的保護，檢修后，要用合格氣體徹底置換。在停機待機過程中，不能停止干燥氣體的保護。

建議用戶及時反饋設備運行情況，與設備生產廠家共同努力將設備維修好、管理好、運行好。