芳烴異構(gòu)化汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂原因及應(yīng)對措施研究

寧飛升 郭鴻飛 高 飛

（中石化洛陽分公司，河南 洛陽 47100071000）

1 芳烴異構(gòu)化汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂事故經(jīng)過

1.1 機(jī)組簡介

18K01是異構(gòu)化循環(huán)氫壓縮機(jī)，循環(huán)介質(zhì)為氫氣，由日本三菱公司制造。壓縮機(jī)為徑向剖分式多級筒形離心式壓縮機(jī)。其驅(qū)動機(jī)為汽輪機(jī)，型號為：CL-216，設(shè)計為背壓式，采用水平剖分式機(jī)殼，兩級葉輪，使用3.5Mpa中壓蒸汽驅(qū)動，背壓為1.0MPa蒸汽。

1.2 機(jī)組故障經(jīng)過

18K01正常運(yùn)行時偶有振動，聯(lián)軸器端徑向振動值18VI272X和18VI272Y在4μm左右，非聯(lián)軸端徑向振動值18VI271X和18VI271Y在13μm左右，軸位移18ZI271A在0.025mm左右，18ZI271B在0.075mm左右。2月14日13∶30分左右，軸振動開始加劇，15∶00左右達(dá)到最高值（見表1），15∶17汽輪機(jī)停車，整個過程蒸汽溫度、壓力變化不大（見表2），軸承溫度部分上漲至63.5℃（見表3）。后經(jīng)過各診斷人員聯(lián)合確認(rèn)機(jī)組又進(jìn)行了兩次開機(jī)實驗，但每次機(jī)組都有劇烈振動，因此車間決定對機(jī)組進(jìn)行隔離搶修。2014年2月15日7∶00，三隆公司開始拆除壓縮軸瓦、聯(lián)軸器。16∶00機(jī)組解體完畢，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷裂，斷裂部位位于徑向軸承和前汽封中間位置（見圖1、圖2）。

表1 機(jī)組振動位移的對比

表2 驅(qū)動蒸汽的壓力、溫度對比

2 異構(gòu)化汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂原因分析

①轉(zhuǎn)子材料存在成分偏析或冶金缺陷，在使用條件下，由于疲勞和蠕變交互作用在缺陷處產(chǎn)生裂紋，繼而擴(kuò)展至斷裂。

表3 軸瓦溫度對比

圖1 斷軸位置

圖2 斷口部位

②機(jī)組長時間不間斷運(yùn)行已接近15年，2005年裝置節(jié)能改造后，因異構(gòu)化催化劑更換，需降低氫油比，壓縮機(jī)降轉(zhuǎn)速運(yùn)行（6 250rpm），距離臨界轉(zhuǎn)速（5 800rpm）較近，長時間運(yùn)行一定程度加劇了轉(zhuǎn)子疲勞，轉(zhuǎn)子表現(xiàn)為疲勞斷裂。

③蒸汽溫度、壓力時有波動，造成轉(zhuǎn)子疲勞損傷，最終擴(kuò)展至斷裂。

④汽輪機(jī)檢修安裝時轉(zhuǎn)子表面被刮傷。

⑤在開停機(jī)過程中機(jī)組啟停速率過快，轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力變化，在交變應(yīng)力的作用下轉(zhuǎn)子產(chǎn)生低循環(huán)疲勞裂紋，裂紋慢慢變長，最后轉(zhuǎn)子斷裂。

3 預(yù)防汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂安全技術(shù)措施

①振動是機(jī)組運(yùn)行狀況是否平穩(wěn)的重要指標(biāo)，大多數(shù)有振動監(jiān)控的設(shè)備發(fā)生事故都會在振動上表現(xiàn)出來，因此，要求振動超限跳閘保護(hù)必須正常投用，充分發(fā)揮聯(lián)鎖保護(hù)的作用，才能確保機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

②機(jī)組每次打開檢查維修，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子表面和中心孔探傷檢查。高壓、高溫段處應(yīng)力集中，這些部位可以進(jìn)行金相和探傷檢查，另外酌情在不影響轉(zhuǎn)子安全的部位進(jìn)行硬度試驗。對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子易遭受疲勞和蠕變損傷的部位，應(yīng)加強(qiáng)裂紋的監(jiān)督檢查[1]。

③盡量減少機(jī)組的啟停次數(shù)以減少疲勞損傷，盡量減緩機(jī)組啟停速率，降低啟停過程中的溫升、溫降速率以降低熱應(yīng)力。

④穩(wěn)定汽輪機(jī)運(yùn)行，使振動減少至最小。

⑤避免水和冷蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，以免引起轉(zhuǎn)子彎曲變形。

4 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行監(jiān)督措施及應(yīng)開展的工作

轉(zhuǎn)子裂紋發(fā)生的概率比其他故障小，但是由于能產(chǎn)生轉(zhuǎn)子裂紋的潛在因素很多，因此要對轉(zhuǎn)子加強(qiáng)監(jiān)督檢查。

4.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行監(jiān)督

我單位旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備占80%，如汽輪機(jī)、離心機(jī)、機(jī)泵、風(fēng)機(jī)等。在日常生產(chǎn)中，我們會經(jīng)常遇到因劇烈振動導(dǎo)致切換設(shè)備，甚至無法正常生產(chǎn)，然而引起振動的因素卻很多，其中錯綜復(fù)雜，僅靠用耳朵，用眼看，用手摸等過時的方法，很難全面準(zhǔn)確的判斷故障的原因。引進(jìn)先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測以及診斷技術(shù)監(jiān)控設(shè)備，通過振動檢測記錄分析各類轉(zhuǎn)動設(shè)備在一個檢修周期的運(yùn)行狀態(tài)，從事設(shè)備技術(shù)人員可以掌握一套完整的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)資料。根據(jù)這些資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，能準(zhǔn)確判斷故障的原因，從而避免因突發(fā)性設(shè)備故障而造成經(jīng)濟(jì)損失，確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行[2]。

4.2 開展汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子安全性評定與壽命評估

對存在超標(biāo)缺陷的轉(zhuǎn)子，應(yīng)該采用斷裂力學(xué)的方法對缺陷進(jìn)行評估；對沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷的轉(zhuǎn)子，對其開展疲勞-蠕變損傷的研究。通過對轉(zhuǎn)子的安全性評定和壽命估算，進(jìn)而指導(dǎo)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

[1]楊國安.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷使用技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2012.

[2]李益民，楊百勛，史志剛.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子事故案例及原因分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2007，49（1）：66-69.