一起液化裝置膨脹機葉輪連續損壞事故的分析與處理

林聞捷，吳 琦

(新余鋼鐵集團有限公司，江西新余 338001)

引言

新鋼氣體有限責任公司配備了一臺YPON4550/3250 液化裝置，其工藝流程是以干燥壓力氮氣(循環氮壓機壓縮）為工質，并由增壓透平膨脹機進行增壓以及冷凍機組和膨脹制冷提供冷量，以此來液化產品氧氣和產品氮氣[1]。循環氮壓機采用阿特拉斯ZH26000 型三軸三級離心壓縮機，液化膨脹機采用增壓膨脹，設計流量是22 000 m3/h。增壓透平膨脹機，即一端懸臂式單級向心透平膨脹機同軸驅動，另一端懸臂式單級離心透平壓縮機的機組[2]。配備一臺GAYL-24000/20 氮氣低溫冷凍機。由空分產品氮氣(15 kPa)向系統補充氮氣。原料氧氣為用戶管網氧氣，壓力為2.0 MPa。

液化裝置透平膨脹機具有工作溫度變化較大且高速運轉特性，極易出現葉輪強度不足或振動過大等問題[3]。氣體公司一年來連續2 次出現葉輪損壞事故，恢復周期長，對生產組織和液體產品的銷售影響較大。

1 事故經過

1.1 第一次葉輪損壞

2019 年9 月20 日液化膨脹機停機處理密封氣管道開裂漏氣問題，停機過程中循環氮壓機意外發生卸載，卸載時工作壓力為0.8 MPa，液化膨脹機聯鎖停機。密封氣管焊接好后液化裝置重新啟動，膨脹機無轉速顯示。膨脹機增壓端蝸殼處僅能聽到氣流聲，而無膨脹機運轉聲音，判斷可能是拆密封氣管時冰水或濕空氣進入膨脹端抱死轉子不能正常運行，對膨脹機進行加溫；膨脹機停機過程中的各參數趨勢未見異常情況。打開循環氮壓機各級冷卻器氣側排污閥，發現三級冷卻器有水排出。液化裝置工藝簡圖如圖1所示。

圖1 液化裝置工藝簡圖

9 月23 日膨脹機已加溫至常溫狀態，再次啟動循環氮壓機，工作壓力升到0.5 MPa 時，用循環氮壓機出口閥V101y 控制膨脹機的進氣量，膨脹機仍無轉速，無運轉聲音。停止循環氮透運行，對膨脹機噴嘴進一步校驗，發現啟動調節、閥門定位器調節、現場手輪開關噴嘴均不動作。

9 月24 日9∶00 時打開增壓機進口短管，發現增壓機工作葉輪已經損壞，葉輪已經移位到進口導流管且抱死，部分葉輪與葉輪壁分離，具體見圖2。

圖2 第一次葉輪損壞事故現場圖片

1.2 第二次葉輪損壞

2019 年12 月，更換轉子葉輪后，液化膨脹機重新試車成功并平穩運行，直至2020 年9 月16 日，因電網波動循環氮壓機跳停，液化膨脹機聯鎖緊急切斷閥關閉，回流閥全開，液化裝置系統停機。

9月17日，液化裝置重新啟動，液化膨脹機發出異常噪聲且振動較大，懷疑轉速過低導致，后將循環氮壓機加載并升壓至0.8 MPa 左右，液化膨脹機轉速達到16 000 r/min，噪聲仍未消失。檢查所有閥門處于正常打開狀態，液化膨脹機本體及管道振動很大，后將循環氮壓機降壓卸載，停止運行。查看報警記錄，循環氮壓機停機后1 s，液化膨脹機緊急切斷閥關閉，但2 s 后轉速先上升至23 356 r/min 達到高報警值，2 s后再下降至18 087 r/min，9月18日，打開增壓端進口短管查看，轉子位移，葉輪與導流管發生嚴重摩擦，增壓端葉輪再次損壞。

圖3 第二次葉輪損壞事故現場圖片

1.3 兩次葉輪損壞故障對比及分析

第一次葉輪損壞發生于設備投運10年后，期間因循環氮壓機控制系統缺陷，多次發生意外卸載或跳停，液化膨脹機多次帶負荷停機。而第二次葉輪損壞僅發生在修復投產9 個月后，此前更換氮壓機控制系統，未發生過意外卸載或跳停，僅2020 年9月16日因電網波動跳停一次，葉輪就已嚴重受損。

2 第一次事故原因分析及處理

2.1 第一次事故分析

液化膨脹機增壓端和膨脹端葉輪由同一個轉子帶動，配有止推軸承防止轉子發生軸向位移，經廠家動平衡調試后，轉子運轉非常平穩，故正常的停開機不會導致轉子位移。檢修時僅增壓側葉輪磨損，轉子、膨脹側葉輪、軸瓦均檢查正常。油潤滑系統檢查，油溫油壓均正常，油質取樣化驗正常，排除潤滑系統原因[4]。事故發生時循環氮壓機從0.8 MPa工作壓力直接發生卸載，以及此前因控制系統缺陷，也多次在1.05 MPa 的工作壓力下直接卸載或停機，對液化膨脹機葉輪沖擊很大，以及事故發生時三級冷卻器氣側排出有水的現象，分析得到以下事故原因。

2.1.1 控制系統缺陷

循環氮壓機PLC 控制系統為了保護機組，各保護參數靈敏度極高，當工作壓力高于設定壓力0.1 MPa時，就直接卸載。在對循環氮壓機降負荷操作時，機組時常會直接卸載，從而聯鎖膨脹機帶負荷聯鎖停機。

循環氮壓機PLC 控制系統從2014 年開始會定期在運行了1-2 個月時無故出現“人機對話接口故障”導致循環氮壓機故障停機，從聯鎖膨脹機帶負荷停機。該故障也多次聯系了廠家技術人員，表示很難判斷及處理，所以一直沒有解決。

由上面幾方面的原因可能使膨脹機過多的帶負荷停機，受到了氣流不平衡的沖擊導致轉子位移，葉輪與導流管發生摩擦而損壞[5]。

2.1.2 循環氮壓機三級冷卻器內漏

水漏到氣側，雖然設備在運行時水壓比氣壓低，不會進入氣側，但停機時水大量漏到氣側管道中。起動液化裝置時，雖然會打開三級冷卻器排氣閥排放一段時間，無水排出后再關閉，但仍有水進入液化膨脹機增壓端葉輪處。葉輪處于高速運轉下，液體的沖擊也對葉輪造成了一定損傷[6]。

2.2 第一次事故后處理措施

2.2.1 修復機械部件

由于增壓端和膨脹端的葉輪已經全部受損，需要送回廠家重新加工，轉子雖然完好，但需重新做動平衡試驗。歷經2 個多月的時間，新加工好的轉子和葉輪于2019年12月9日回到現場進行安裝。

此前液化膨脹機葉輪與蝸殼發生摩擦并燒熔，鋁質熔融物甩在噴嘴葉片上并附著，檢修時將噴嘴葉片打磨干凈[7]。這是此前噴嘴卡死關不下去的原因。重新調試噴嘴，動作正常。

增壓端和膨脹端氣封上均有葉輪鋁質熔融物，此次檢修全部換新。

2.2.2 控制系統改造

循環氮壓機PLC 控制系統不夠成熟穩定，在2008 年氮壓機投產時，國內只有三家公司在使用，且目前全部進行了改造。現阿特拉斯對壓縮機有一套成熟的控制系統MKIV，氣體公司空壓車間配備的阿特拉斯空壓機就采用的是這套MKIV 系統，從未出現過系統報錯跳停的故障，升降設定壓力也非常穩定。雖然此臺循環氮壓機是ZH26000 與空壓車間空壓機型號ZH15000 不同，但型式都是整體齒輪型，可以實現改型。氣體公司將PLC 控制系統換成了此套MKIV 系統，內部接線全部改造，更換主板和操作面板，采用Modbus 協議進行通訊，重新裝載程序，并試機一次成功，調試程序均正常，并能將設備參數傳輸到DCS控制系統上[8]。

2.2.3 循環氮壓機三級冷卻器處理內漏

循環氮壓機三級冷卻器氣走殼程，水走管程。將其端蓋打開，并通氣做試驗，排除了管道內漏的可能。經過測繪，發現是端蓋密封墊磨損，使得密封不嚴，管道中的水從端蓋處漏進了外殼的氣路。重新更換密封墊后，復位端蓋，打開水路和氣路流道，將三級冷卻器排氣閥打開，未發現有水排出，此故障得到解決。

2.3 第一次檢修后投產運行狀況

2019年12月重新試車投產后，液化裝置效率有所提升，檢修前后產量見表1。檢修效果值得肯定。

表1 檢修前后產量 m3/h

3 第二次事故原因分析及處理

3.1 第二次事故原因分析

在重新投產運行9 個月后，因一次電網波動原因，在1.05 MPa 的工作壓力下意外停機，竟導致葉輪嚴重受損，不是簡單的氣流沖擊造成，根據檢修時拆開的葉輪狀況，及事故發生時工藝參數的變化，分析得到以下原因。

3.1.1 葉輪加工工藝存在缺陷

受損葉輪輪蓋有明顯撕裂現象，如圖4 所示。即使轉子發生位移，導致葉輪與導流管發生摩擦，也不至于撕裂輪蓋。第一次事故中的葉輪無輪蓋撕裂現象。考慮到葉輪輪蓋不是整體加工制成，而是采用鉛焊工藝加工而成，且葉輪體積大，鉛焊加工難度本來就高，因此葉輪加工鉛焊工藝可能本身存在缺陷[9]，無法應對突發停機時的強大軸向力。

與第一次事故不同，第二次事故機械軸瓦明顯磨損，但止推面完好。因此不是止推軸承先出的故障。因此判斷是液化膨脹機運行時帶負荷跳停，巨大的離心力先使得葉輪輪蓋撕裂分離，導致轉子失去動平衡，發生位移，并磨壞軸瓦。設備損壞情況如圖4、圖5所示。

圖4 第二次事故中受損的葉輪輪蓋

圖5 軸瓦磨損情況

3.1.2 緊急切斷閥位置有缺陷

根據第二次事故發生時的運行記錄，膨脹機緊急切斷閥關閉后，膨脹機轉速先上升到高報警值，后下降。根據現場布置，判斷出緊急切斷閥離葉輪距離過大。液化裝置施工時，為方便安裝，將緊急切斷閥安裝在離葉輪約5 m 遠處。帶負荷跳停時，增壓機回流閥全開，使得增壓端無負荷，而膨脹端緊急切斷閥與葉輪間的余氣繼續推動葉輪旋轉，因此轉速會先上升。而空分工藝膨脹機緊急切斷閥設計緊貼葉輪位置，緊急切斷閥關閉后轉速直線下降至0。無制動狀態下液化膨脹機的運轉，也增加了對葉輪轉子的沖擊。

3.1.3 液化膨脹機起動方式有誤區

為減少對液化膨脹機葉輪的沖擊，起動液化裝置，先關閉循環氮壓機出口V101y，打開液化膨脹機緊急切斷閥和噴嘴，啟動循環氮壓機后先卸載，在0.2 MPa 的工作壓力下緩慢打開V101y，使得氣流逐漸增加，推動液化膨脹機轉動。這種操作方式存在誤區，膨脹機的轉動需要一定的壓力推動其克服扭矩，瞬間達到一個較高的轉速值。而不是在較低的工作壓力下，讓氣流緩慢增加，這反而不利于膨脹機的轉動。

3.2 第二次事故處理

第二次事故發生后，對葉輪轉子進行了更換，后重新試車運行正常。今后將擇選長時間停機機會，對緊急切斷閥進行移位改造，減少設備跳停后余氣對葉輪的沖擊。若跳停后葉輪再次出現輪背撕裂現象，考慮更換整體加工的葉輪。

修改作業指導書，啟動液化裝置時，循環氮壓機應先加載到0.5 MPa，液化膨脹機噴嘴開10°，再開緊急切斷閥，使得液化膨脹機瞬間獲得較大推力轉動，達到一個較高的轉速。再用噴嘴慢慢開大至工作區間，使轉速逐漸增加，并將循環氮壓機升壓至工作壓力1.05 MPa。

4 設備管理后續思考

2 次液化膨脹機葉輪損壞事故，引發了對離心式壓縮機保護的新思考。設備處于高負荷的工作狀態下，突然卸載，對葉輪沖擊非常大，可能使整個轉子向壓力釋放點偏移，從而造成葉輪脫離工作面，與導流管發生摩擦，進而發生損壞葉輪的事故[10]。

氣體公司英格索蘭氮壓機也是離心式整體齒輪型壓縮機，采用恒壓控制，通過壓力和電流對導葉和放空閥進行控制。受用氣單位生產節奏的影響，當中壓氮氣管網壓力較高時，氮壓機采取機后放空調節管網壓力。為降低能源消耗，氣體公司通常卸載其中一臺氮壓機，原操作方法均是通過設定最高工作電流，將氮壓機負荷降到最小工作負荷，然后直接卸載。每次卸載，設備從2.1 MPa 的排壓狀態下，導葉迅速關到最小開度，放空閥全開，設備發生巨大的聲響，振動也非常大。每臺設備中修保養中，均發現葉輪有小幅的損傷狀態，軸瓦也有部分損傷。對損傷的軸瓦更換備件，葉輪不做處理仍能正常工作，但應引起重視。

經過此次事故，氣體公司對英格索蘭氮壓機卸載方式也進行了優化，先降低最高電流設定，使導葉處于最小開度。再通過降低排壓設定，讓氮壓機放空閥逐漸全開，再點擊卸載，讓導葉關到0°（仍有機械開度），此時氮壓機排壓已經降到51 kPa，卸載過程中的沖擊非常小，基本不會發生轟鳴和振動。