空氣壓縮機組富氧改造腐蝕分析及處理

裴 超

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

0 引言

海洋石油富島有限公司年產30 萬噸合成氨裝置采用ICIAMV 技術，于1996 年8 月建成投產。2016 年3 月，為適用于多種熱值的天然氣資源對裝置進行技術改造，采用二段爐加26%富氧工藝，能耗達到國內同行業優秀水平。

1 工藝流程

工藝空氣壓縮機由燃氣透平（02-MT01）驅動，入口空氣由兩部分組成，一部分用于燃氣透平燃燒及艙室通風，另一部分用于空氣壓縮機作為工藝空氣。工藝空氣經空氣冷卻器（02-E005）、入口過濾器（02-F001），在壓縮機一段入口與空分提供的純氧（設計3000 Nm3/h）混合，混合后含氧量26.5%的空氣進入壓縮機低壓缸一段壓縮后，經過一段段間冷卻器（02-E001）冷卻和一段分離器（02-F002）分離，一部分氣體（330 Nm3/h）去尿素單元，其他氣體進入低壓缸二段進行壓縮，氣體出來后經二段段間冷卻器（02-E002）冷卻和二段分離器（02-F003）分離后，一部分氣體（1800 Nm3/h）供儀表空氣使用，其他氣體進入高壓缸三段，壓縮后氣體流經三段段間冷卻器（02-E003）冷卻和三段分離器（02-F004）分離，進入高壓缸四段進行壓縮，經過壓縮后的氣體送往二段爐（圖1）。

圖1 工藝空氣壓縮機組工藝流程

2 設備結構

工藝空氣壓縮機組主機由燃氣輪機、壓縮機低壓缸、壓縮機高壓缸組成，燃氣輪機低壓軸與壓縮機通過撓性聯軸節連接驅動。燃氣輪機由新比隆公司制造，壓縮機由日立公司制造。燃氣輪機和壓縮機安裝在不同底座上，機組潤滑油、液壓油共用一套油系統，由燃氣輪機提供，技術參數見表1。

表1 工藝空氣壓縮機組技術參數

3 故障現象

工藝空氣壓縮機組自建廠以來，隨著運行時間的延長、腐蝕的加重，機組效率逐步降低，壓縮機組大修周期短，一般在2 年左右。嚴重時甚至需要通過調整負荷，以滿足設備運行。

該機組于2016 年進行富氧改造，內件的腐蝕速率大大增加。2018 年3 月大修中發現空氣壓縮機銹蝕較2016 年嚴重，尤其是一段入口管道經空冷器冷卻后濕度達100%的入口空氣，在26.5%富氧環境下，引起設備、管道腐蝕加劇。

裝置大修期間，發現壓縮機封頭、隔板均有較為嚴重的銹蝕、點蝕、沖刷痕跡，轉子組件葉輪流道結垢嚴重。主要表現為：①隔板結垢嚴重，隔板導葉上聚集大量浮銹粉末（圖2）；②轉子組件葉輪流道內外側均有較厚的銹垢累積（圖3）；③封頭入口喇叭導流口點蝕嚴重（圖4），特別是三段入口導流口有70%明顯凹坑，最深2 mm，封頭正下方入口擾流板正對位置沖刷腐蝕嚴重，寬24.6 mm、深5 mm，封頭內壁圓周方向腐蝕減薄，原內件Φ270 mm，最大減薄至Φ272.4 mm；④上缸體及擾流板位置腐蝕減薄（圖5），腐蝕深度2 mm；⑤低壓缸隨著運行時間的延長，軸向推力發生變化，導致主推力軸承載荷變大，軸承瓦水準塊及固定銷釘存在嚴重磨損。導致該機組需要頻繁檢修，進行隔板、轉子、封頭的清理及止推軸承更換。

圖2 隔板

圖3 轉子葉輪流道

圖4 封頭導流口

圖5 擾流板

4 原因分析

經空冷器02-E005 冷卻后濕度達100%的入口空氣，在26.5%富氧環境下，引起設備、管道腐蝕加劇。工藝空氣壓縮機由于原始設計上的原因，封頭、缸體、葉輪材料均采用碳鋼、合金鋼材料，局部使用不銹鋼（表2），由于地理位置靠海，介質空氣濕度、鹽分相對高，加上空氣氧含量的增加，加劇了非不銹鋼部件材料的銹蝕。腐蝕會造成流體流道表面產生凸凹不平，使壓縮機內部損耗增加，壓縮機效率的降低會導致動力消耗的增加。

表2 工藝空氣壓縮機各部件材料

壓縮機組根據使用環境，主要存在鹽霧腐蝕。海水的成分復雜，含有多種無機鹽、有機物及溶解的氣體、懸浮物、膠體、生物等。由于海水中含有大量的氯化鈉，其水解形成的氯離子具有強烈的腐蝕性。海風攜帶的海鹽粒子及水蒸汽被壓縮機組吸入產生電化學腐蝕，導致金屬表面與離子導電的介質發生化學反應而產生的破壞。在反應過程中有電流產生。腐蝕金屬表面上存在著陰極和陽極。陽極的反應是金屬原失去電子而成為離子狀態轉移到介質中，稱為陽極氧化反應。陰極反應是介質中的去極化劑吸收來自陽極的電子，稱為陰極還原過程。這兩個反應是相互獨立而又同時進行的，為一對共軛反應。電化學腐蝕比較普遍，對金屬結構的危害嚴重。

此外，根據壓縮機組的運行特點，設備同時存在沖刷腐蝕，空氣中氣流夾帶的水分，管道腐蝕形成的金屬顆粒，工藝空氣介質在壓縮機組內部導流、限流等改變氣流流速、方向形成湍流，造成沖刷腐蝕。在沖刷過程中，加速了物質傳遞的過程，促進氧氣與管道、設備內表面的接觸，并使得腐蝕物脫離材料的表面，加速機組的電化學腐蝕。

為降低電化學腐蝕，需要從根源解決問題。在壓縮機組的內部結構、氣流速度等無法改變的情況下，降低電化學腐蝕速率及減少沖刷腐蝕是目前解決問題的主要途徑。對于本臺機組設備，主要從以下3 個方面解決問題：①降低空氣濕度，將濕度由100%降低至70%左右；②減少金屬顆粒物的形成，將入口管道及設備內件進行材料升級，減小電化學腐蝕效果；③設備修復補強，對于設備已出現的結構尺寸改變進行修復。

5 處理措施

5.1 壓縮機02-F001 入口空氣隔離改造

為了降低入口空氣中水含量，將空壓機入口空氣單獨隔離進氣。因環境限制，改造后壓縮機入口空氣最高溫度將達到約38 ℃，為此，委托設計院進行工藝空氣壓縮機參數核算，核算后符合工藝要求。

根據燃氣透平與壓縮機的流量需求，將原02-F001 空氣過濾器進行分割，按照3∶1 進行分離，壓縮機入口空氣不經過空冷系統02-E005 降溫，直接經02-F001 空氣過濾器過濾使用。

改造后燃氣透平02-MT01：①02-MT01 空氣空冷器入口處面積增大，空氣濾芯處面積不變，不會影響機組運行；②02-E005只冷卻02-MT01 入口空氣，有利于02-MT01 的調節；③燃機輸出功率稍有增加。

改造后壓縮機組02-K001：①空氣流通量，02-MT01 和02-K001 空氣量比為3∶1，2003 年改造前公用02-F001 西側和南側墻進氣且工況正常，現02-K001 單獨使用西側墻且空氣濾芯處面積不變，因此改造后空氣流通量滿足；②打氣量，空壓機初始設計在入口38.8 ℃、出口壓力4.3 MPa 下，能力為46 000 Nm3/h，且2016年改造后工藝氣流量和壓力均大幅降低，當入口溫度恢復為環境溫度后，空壓機打氣量能滿足工藝所需，需求功率有所增加；③段間換熱器、分離器和管道的設計參數均按照未安裝02-E005 來設計，能滿足要求；④功率消耗，由于入口溫度增加，會增加02-K001一段的功率消耗，約100～150 kW（流量為41 500 Nm3/h）；⑤工藝操作，02-K001 打氣量會隨環境溫度變化而變化，需要工藝人員及時進行調整；⑥02-F001 西側為輔助鍋爐和燃氣排氣通道，入口空氣溫度可能會稍高于環境溫度。

5.2 壓縮機低壓缸一段入口管線改造

由于空壓機吸入管道為碳鋼材料，裝置連續運行多年，一級吸入管道的生銹情況嚴重，管道內部凹凸不平，無法滿足富氧空氣介質要求的清潔環境。在裝置大修期間對壓縮機組低壓缸一段入口管線進行了材料更換，將一段入口管線由碳鋼升級為304#不銹鋼。經過改造，消除低壓缸一段入口管線腐蝕減薄、鼓包的隱患，避免管線內腐蝕雜質進入低壓缸內，反復沖刷造成隔板、轉子結垢。

5.3 設備內件改造修復

（1）對壓縮機組低壓缸、高壓缸的部分隔板進行改造，將壓縮機各段間入口隔板、一級級間隔板、四級級間隔板（總共8 塊）進行不銹鋼材料升級，升級后材料為HUS60（圖6）。經過改造，高低壓缸腐蝕嚴重的隔板被更換，降低了設備內部的腐蝕，隔板結垢流道減小和擾流板的腐蝕減薄隱患被消除，消除了隔板擾流板脫落造成設備損壞的事故隱患。在此基礎上，降低空壓機效率衰減率，在降低空壓機能耗上取得一定成效，改造后各項指標均達到設計要求。

圖6 壓縮機更新隔板示意

（2）將壓縮機組低壓缸、高壓缸兩端封頭腐蝕減薄部位修復。在改造過程中，因封頭屬于受壓部件，按規定出廠前必須進行耐壓試驗。按照ASME 標準，更換封頭也需進行耐壓測試。由于封頭流路面積很小，對整體效率影響微小，投入大性價比很低，因此封頭采用修復辦法較為合適。封頭修復過程中通過手工打磨，采用短弧焊接窄焊道方法，控制層間溫差小于200 ℃。用線切割制作外緣弧形靠模，補焊后根據靠模進行機加工。修復后投入使用，運行狀況良好。

6 結論

在防腐蝕處理前，隨著運行時間增加，設備連接管道與設備內件存在腐蝕，空壓機效率會因流道結垢逐漸衰減。在進行防腐蝕實施后，相同流量和壓力下，空壓機的3 個段間出口溫度值均有所下降，轉速下降約29 r/min，整機效率相比改造前提高約0.8%。

在2 年的運行后設備大修檢查，結垢情況明顯好轉。壓縮機組的隔板、葉輪等部件清潔度高，低壓缸轉子軸位移情況得到明顯緩解，各段分離器除沫網恢復潔凈，日常運行中疏水器排出的銹垢量明顯減少。經過處理后，壓縮機的運行周期增加，設備檢修及停機損失減少，機組效率提高，產生良好的節能降耗效果。