膨脹機核心部件國產化的研究與應用

付少東

摘 要：本文針對天然氣處理廠核心機組—膨脹機的核心部件軸承、葉輪、轉子、噴嘴等故障率不斷升高，嚴重影響天然氣處理裝置的安全、平穩運行，提出用國產部件替代進口部件的方案，旨在實現膨脹機檢修備件及時供應，降低材料成本，減少葉輪、軸承等部件的故障率，延長設備檢修周期，確保膨脹機平穩運行。

關鍵詞：膨脹機;軸承;葉輪;轉子;噴嘴

1 項目概況

天然氣處理廠主要從事石油伴生氣的處理，有兩套油田伴生氣中壓深冷處理裝置，單套裝置設計日處理能力為80～120萬標方。兩套裝置中的核心機組--膨脹機，是通過旋轉工作輪，使氣體膨脹對外作功而產生冷量的機械（即利用氣體流動時速度的變化來進行能量轉換，氣體在透平膨脹機的通流部分中膨脹獲得動能，并由工作輪軸輸出外功降低膨脹機出口氣體的內能和溫度）。由于油田產能的不斷衰減，已遠遠偏離了原設計的運行狀態，同時原料氣中CO2含量逐漸升高，致使膨脹機軸承、葉輪、轉子、噴嘴等核心部件的故障率不斷提升，嚴重影響了兩套裝置膨脹機的平穩運行。

2 存在問題

2.1 軸承振動高，更換頻率快

兩套裝置中的膨脹機，運行過程中兩端軸承振動值高，一期膨脹機軸承振動值高至32.4um（軸承振動值20um報警，38um停機），二期膨脹機軸承振動值高至30.3um（軸承振動值25um報警，40um停機）。機組運行半年需對軸承進行更換，軸承更換周期極大的縮短。

2.2 葉輪附著臟污，損壞快

膨脹機檢修過程中，發現兩臺膨脹機的葉輪流道里附著大量泥垢，葉輪背部以及葉輪流道從平衡孔以后殘留黑色痕跡，甚至葉輪有不同程度的損傷，導致機組效率低，需對增壓輪和膨脹輪進行更換，轉子做動平衡測試。

2.3 進口備件費用高，周期長

進口備件在國外正常加工周期為4-6個月，周期長，費用為國產備件的好幾倍;購買備件需進行訂購，訂購周期很長。若提前儲存備件則占用大量資金，不儲存備件則無法保證膨脹機正常檢修周期和突發事件的處理。

3 核心部件國產化方案的確定

3.1 軸承的國產化方案

①軸承材料的選擇。進口軸承材料用的是20號鋼，硬度高，軸承損壞的同時造成膨脹機軸的損傷，國產軸承材料采用的是巴氏合金，硬度比20號鋼偏軟，軸承損傷不會造成軸的損壞，軸承材料可以選擇巴氏合金;②軸承止推面的改進。機組運行時推力差偏高，拆解機組時發現軸承止推面接觸不均勻，止推面接觸面積不足，需增大止推面，與國內膨脹機廠家結合，可以將軸承止推面擴大，并經過軟件模擬得出止推面接觸面積大于80%時推力差滿足機組運行要求。

3.2 葉輪的國產化方案

目前氣量低、氣質貧且CO2含量高，葉輪壓力面負壓點增多，降低了使用壽命，需要對葉輪流道進行分析和設計，修復負壓點，減少流道損失。同時需要對葉輪進行精確測量，保證加工的葉輪與進口葉輪尺寸一致。這些要求國內廠家可以完成，他們可以利用軟件進行模擬、分析和設計，達到葉輪工作的要求。

3.3 轉子的國產化方案

轉子由葉輪和軸組成，轉子的工作轉速需遠離其固有頻率，確保工作轉速都在轉子的一階臨界轉速安全系數下，這樣機組啟、停操作和運轉才安全。尤其是當今膨脹機已不在設計工況下運行，需要重新對膨脹機轉子進行固頻分析和推力計算，通過固頻測試臺對轉子進行固有頻率測試，然后依據測試數據加工轉子。這些要求國內廠家可以完成。

4 取得的主要技術創新成果

4.1 軸承

軸承是膨脹機首先進行國產化改造的部件。①軸承的材料采用硬度軟的巴氏合金襯里，避免了軸承的損壞導致軸的損傷;②止推軸承與軸的徑向止推面的接觸面反復刮研對磨，使它們的接觸面積大于80%，油溝光滑無毛刺，邊緣無缺口，確保良好的止推性;③徑向軸承和軸頸的接觸面反復刮研對磨，使其在軸承底部35°-60°的范圍內接觸均勻，降低軸承振動。

4.2 葉輪

廠商利用三坐標測量儀對葉輪外形進行測繪，確保葉輪的精確測量，保證加工的葉輪與軸、軸承、隔板、密封等部件良好配合。再采用UG軟件對葉輪數據進行實體造型，利用CFD粘性流場分析軟件和ANSYS有限元分析軟件對流道進行模擬分析，修正負壓點，減少流道損失，提高工作輪效率。

4.3 轉子

轉子組件首先通過進口CAE軟件NASTREME進行動力性能分析，然后進行動平衡試驗，在超速試驗臺位進行130%的超速試驗，在固頻試驗臺位進行固頻測試，最后在動平衡機上進行轉子動平衡試驗。確保工作轉速都在轉子的一階臨界轉速安全系數下，保證機組啟、停操作和運轉更安全。

5 現場應用效果分析

自兩套裝置的膨脹機核心部件實施國產化以來，機組轉速、軸承振動，推力差和軸承溫度等參數均在正常范圍內，保障了兩套裝置膨脹機的平穩運行。

參考文獻：

[1]賴曉斌，周明軍，祁曉莉.膨脹機控制方案探討[J].天然氣與石油，2014（5）.

[2]計光華.透平膨脹機[M].北京：機械工業出版社，1982.