重整氫增壓機故障分析及解決方案

孫國民

（中國石油遼陽石化分公司芳烴廠，遼寧遼陽 111003）

0 引言

重整氫增壓機為50萬t/a連續重整裝置氫氣外送增壓機組，是重整裝置的核心設備。機組型號4M50-145/5-13.5-64/12.2-31.5-BX，轉速300 r/min，軸功率3260 kW，結構形式為四列二段對稱平衡型往復壓縮機。

機組所在裝置于1996年建成投產，1999年進行了擴能改造，重整處理能力由原設計的40萬t/a，擴能至50萬t/a。擴能改造涉及壓縮機部分為一段、二段缸徑擴大及二段十字頭部件適應性改造等，配套再接觸系統只對重整產氫水冷器和一段再接觸水冷器管束型式由原U型管式更換為高效螺紋管式，增加了部分換熱面積。

長期以來，由于上游原料不足等原因，該套重整裝置一直在65%的較低負荷下運行，2014年4月—2016年9月，裝置處于停產狀態。2017年以來，重整原料充足，裝置持續在（58～60）t/h進料的高負荷狀態下運行，機組出現了頻繁故障及檢修現象。

1 故障現象

2014年以前，機組嚴格執行計劃檢修，主要檢修內容為吸排氣閥、托瓦、活塞環等易損件的更換，檢修周期通常為80 d左右。自2017年起，K201機組反復發生30余次排氣溫度突升的現象，機組平均運行周期只有10 d左右。以8月27日故障的過程為例，控制室K201B二段一號缸排氣溫度在15 min內由100℃突升至115℃，其他溫度無變化，此時現場檢查確定二段一號氣缸的缸頭側2臺排氣閥表面溫度125℃，其他氣閥溫度正常，無其他活塞環、運動部件等故障現象。切換檢修該2臺氣閥，發現氣閥閥片邊沿碎裂，更換后切換運行，排氣溫度恢復正常（圖1）。

圖1 機組排氣溫度變化趨勢

經統計分析，機組故障及運行周期變化有明顯的時期界限，2017年初，重整裝置開始滿負荷運行，2017之前為低負荷運行的狀態。設備的故障變化與工藝系統負荷變化有明顯關聯性。2017年5月18日，K201B突然振動聯鎖停機，檢查發現二段一號缸體處兩根連桿螺栓斷裂，連桿彎曲變形，曲軸瓦徑被斷裂的連桿螺栓撞傷，近曲軸側十字頭上、下滑道被連桿撞損約160 mm，機身蓋板變形，機身蓋板螺栓孔損壞，主軸瓦供油管損壞等嚴重的設備部件損傷事故，見圖2。

圖2 連桿變形及連桿螺栓損壞情況

2 原因分析

經調研，重整裝置的重整氫往復增壓機組普遍存在帶液現象，但像該機組這樣帶液如此嚴重的極其少見。在機組的運行過程中，在一段和二段入口管線聚液罐低點排放處均能排出大量液體，特別是二段入口的聚液罐在機組滿負荷運行下平均每半小時能排出約1000 mL的液體。分析入口管線聚液罐處采集的氣、液相組成，確定其液相組份與重整生成油組份相同，氣相內氫氣含量較高，達到93%，其他為C5以下輕烴。基本可以確定機組帶液來源于氫氣提純降溫的再接觸系統。在工藝流程中重整氫氣與重整生成油混合后進入再接觸分離罐，油氣分離后氫氣由分離罐頂進入壓縮機入口。因裝置擴能后分離設備不配套以及分離罐內破沫網失效等原因，導致油氣不能有效分離而進入壓縮機內。

2.1 排氣溫度異常上升

在拆檢排氣溫度異常的氣閥時發現閥片密封面附著大量結焦物質以及氣閥彈簧粘滯，導致氣閥閥片不能有效開啟或不能平衡閉合，邊沿受力不均而碎裂。工藝介質從閥片破損部位反復通過摩擦，使排氣溫度快速升高，氣閥及閥片的帶液情況見圖3。

圖3 部件

2.2 托瓦、活塞環加劇磨損，壽命縮短

由于機組大量帶液，在活塞運行過程中，磨損下來的碎屑與積液結焦匯聚于托瓦或活塞環間隙處，影響托瓦及活塞環在氣缸套內自由著床，并造成托瓦、活塞環卡滯在固定位置，導致托瓦、活塞環局部磨損嚴重或出現變形斷裂的情況。2017年裝置滿負荷運行后，機組托瓦、活塞環故障頻繁（圖4），其平均壽命在40 d左右。

2.3 長期帶液運行，導致機組受力部件嚴重破壞的原因分析

在對5月18日K201B機組部件嚴重損傷的分析中了解到，失效的二段連桿螺栓首次安裝日期為2012年6月8日，已經累計運行了10 595 h（使用壽命 16 000 h）；螺栓材料為35CrMoA鋼。二段連桿部件首次安裝日期為2013年9月25日，已經累計運行5730 h；連桿材料35鋼，見圖5。

在對斷裂螺栓斷口宏觀、低倍分析；螺栓材料分析；螺栓金相分析等一系列的分析后，得出結論認為，

連桿是活塞與曲軸的連接件。曲軸在電機作用下旋轉并通過連桿傳遞力矩，使活塞做往復運動，從而實現氣體壓縮的目的。在工作狀態下，連桿本身承受著交變載荷。此時，最大的拉應力產生于連桿本身靠近大頭部位。由于連桿大頭是用連桿螺栓緊固在曲軸上，連桿受到的各種作用力均會傳遞到連桿螺栓上。因此，連桿螺栓所受的力為螺栓初始預緊力和氣體壓縮過程中連桿傳遞過程的活塞力，即連桿螺栓所承受的負荷為交變拉應力。1號連桿螺栓的斷裂位置是在螺栓中部凸肩配合（定位）環的過渡圓角處。1號連桿螺栓斷口的裂紋源附近還有多條與斷口平行的裂紋存在，表明螺栓表面這個部位存在著嚴重的應力集中。在交變拉應力的作用下，疲勞裂紋就會萌生在螺栓表面，并不斷地向螺栓內部擴展，當裂紋擴展到一定程度即使螺栓的有效承載截面小到不足以承受工作載荷時，就會導致螺栓的完全斷裂。因此，1號連桿螺栓斷裂為典型的疲勞斷裂。2號連桿螺栓的斷裂位置和斷口形狀可看出該螺栓斷裂為拉伸過載韌性斷裂。即當1號螺栓疲勞斷裂后，使2號螺栓承受的載荷迅速增加，進而造成2號螺栓的嚴重過載，發生塑性變形并出現頸縮現象，直至其最后被拉斷。因此，2號連桿螺栓的斷裂為典型的拉伸過載韌性斷裂。

最終，認定機組長期帶液運行，由于液體的不可壓縮性，使連桿螺栓所承受的交變應力遠遠大于實際設計值，導致連桿螺栓在沒有達到使用壽命的情況下突然疲勞斷裂，機組嚴重受損。

圖4 托瓦、活塞環卡滯及損壞

圖5 連桿螺栓斷裂狀況

3 解決方案

圖6 工藝流程改變前

圖7 工藝流程改變后

（1）在原壓縮機一段、二段入口管線電伴熱的基礎上，增設1 MPa蒸汽伴熱，在保證排氣溫度可控前提下盡量提升該段氣流的溫度，減少進氣凝液的產生。

（2）增加壓縮機氣缸止點間隙。在修復K201B時,已通過加工缸座及缸蓋的方式，將一段止點間隙由8 mm調整至15 mm，二段止點間隙由3 mm調整至10 mm，通過熱動力計算及機組實際運行結果看，可有效緩解機組帶液現象。

（3）經過對入口帶液組成分析，清楚了液體來源，通過改進工藝流程，切除再接觸系統液相，在再接觸系統一段混氫點前接引三通及DN100管線，連接至D202液位控制閥LV2003閥后，原進D202液相物料直接經E206進C200，同時接引從LV2003閥后去LV2002閥后DN50管線用于D202排液。

通過將二段再接觸分離罐D203的液相旁通，使液相不與氫氣混合，徹底切除壓縮機入口氫氣中的液相來源。工藝流程改變前后分別見圖6和圖7。

4 結論

（1）1年來，K201A/B累計檢修31次，更換吸氣閥58臺次，更換排氣閥139臺次；平均不到2個月更換一次托瓦、活塞環，特別是5月份發生的K201B連桿螺栓斷裂事故，檢修歷時50余天。全年該機組疲于切換、頻于檢修，嚴重影響了裝置的安全平穩運行。

（2）為徹底解決機組帶液造成的頻繁故障，經過深入調研論證，對機組及系統進行了一系列可行的改動，特別是利用停車窗口機會，對各高分罐的破沫網進行了更換，更為重要的是改變工藝流程，變兩段再接觸為一段再接觸，將液相來源徹底切除。通過上述解決方案的實施，在機組一段入口管線聚液罐低點排放處仍有極少量氣液夾帶，而二段入口管線聚液罐低點排放處沒有任何液體排出，系統帶液現象明顯改善。

（3）截至目前，該機組單臺已穩定運行2個月，在對機組的計劃檢修中發現，帶液現象基本消除。下一步，將擇機實施加高加大高分罐尺寸，采用高效除霧器；增加段間冷卻器換熱面積，提升換熱效果的措施，徹底解決往復機組帶液問題，確保重整裝置核心設備的安全穩定運行。