合成氣壓縮機故障原因分析及解決措施

朱白欽

(河南龍宇煤化工有限公司， 河南永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司一期50萬t/a甲醇裝置中，來自低溫甲醇洗裝置的凈化氣(25～35 ℃、 2.5～3.2 MPa、115 000～145 000 m3/h)和來自氫回收裝置的新鮮原料氣(55～65 ℃、2.5～3.3 MPa、 11 000～16 000 m3/h)相混合后，經合成氣壓縮機的新鮮氣壓縮段入口分離器進入新鮮氣壓縮段，再通過合成氣壓縮機進行六級壓縮后,氣體(5.3～7.7 MPa、140～165 ℃)進入合成氣壓縮機的循環壓縮段入口[1]。

來自甲醇合成工序的循環氣(35～45 ℃、5.3～7.7 MPa、650 000～850 000 m3/h)進入循環氣的入口分離器后，再進入循環壓縮段的入口，與新鮮段來的氣體(40～65 ℃)相混合后進入循環段，氣體(5.5～8.2 MPa、60～85 ℃)去甲醇合成塔內進行催化反應，部分合成氣態甲醇再經冷卻、冷凝、分離出粗甲醇產品，送往甲醇精餾工段[2]。

1 合成氣壓縮機葉輪損壞原因及處理措施

1.1 合成氣壓縮機概況

合成氣壓縮機型號為 STC-SV(10-7-A)，由德國西門子設計制造。該型號為汽輪機驅動的離心式壓縮機，為一缸兩段七級葉輪結構，其中第一段為新鮮氣壓縮段，由六級葉輪組成；第二段為循環段，由一級葉輪組成。

1.2 損壞情況

合成氣壓縮機(K15301)因驅動端軸振動(VX/YE15312)振值高而觸發聯鎖跳車。經調取運行參數并分析后確認，機組驅動端振值及非驅動端振值均增高，達到驅動端振值高高聯鎖(81 μm)跳車,之后盤車正常。經再次試機，啟動后機組沖轉至2 000 r/min時,驅動端軸承溫度上漲較快，達135 ℃時跳車。判斷原因為軸承損壞，且機組轉子存在不平衡量。拆開軸承發現驅動端軸承巴氏合金損壞(見圖1)，后繼續拆檢缸體，抽出轉子后發現機組二段入口導流體部件導葉斷開兩處(見圖2)，機組末級葉輪進口部位多處變形(見圖3)，一至六級葉輪級間通流部件存在附著性雜物，尤以第一級更嚴重。

圖1 驅動端軸承損壞

圖2 導流體的導葉斷開

圖3 葉輪進口變形

1.3 損壞原因分析

由于工藝氣較臟，一級入口附著雜物脫落后進入葉輪，引起驅動端軸振動，振動狀態下二段入口處渦流加劇，進而導致因長期高負荷運行已存在疲勞損傷的入口導流體導葉片斷裂，造成平衡盤側末級葉輪打傷。

1.4 解決措施

先對轉子部分進行噴砂處理，再進行清洗和著色探傷檢查，根據葉輪損壞情況考慮相應處理方案。(1) 打磨葉輪的損傷葉片，以消除損傷部位；切割打磨損傷葉片對面的葉片，使葉輪對稱、平衡。該方案作為臨時應急處理方案。(2) 對葉輪損傷的葉片進行激光熔敷修復。需要將平衡盤、葉輪全部熱拆下來，葉輪單獨做激光熔敷；單個葉輪經超速試驗、動平衡、轉子組裝等工序。此方案中，葉輪、平衡盤拆卸過程存在熱拆損傷風險。

綜合考慮后，決定對葉輪損傷葉片進行打磨、修型處理(見圖4)。對導流體導葉片進行水清洗、著色探傷后，對葉片根部裂紋處進行補焊修復，對導流體后端采取切割打磨圓弧處理(見圖5)。

圖4 修復后的葉輪

圖5 修復后的導流體

葉輪修復后，針對轉子部分進行低速、高速動平衡，確保運行各項參數均正常。

2 干氣密封損壞原因及處理措施

2.1 干氣密封工作流程

合成氣壓縮機正常運行過程中，排出部分工藝氣體(8.2 MPa、71 ℃)。在開停車過程中，自界區來的高壓氮氣(6.0 MPa)作為密封氣氣源，經過第一級密封氣過濾器后，進入壓縮機兩側的第一級密封端面，在密封面上形成密封氣膜，以防止壓縮機內的工藝氣體進入密封。密封端面上正常向外產生的少量工藝泄漏氣，經壓力控制后去火炬燃燒。自界區來的8.1 MPa氮氣，經第二級密封氣過濾器過濾后，控制壓力為0.6 MPa，然后進入第二級密封氣端面，正常向外泄漏的少量氮氣被引出至安全處放空。當控制氣壓力為0.2 MPa時，在壓縮機軸端的密封函內進行隔離。由于機組工作介質為合成氣，采用雙端面串聯式干氣密封[2]。

2.2 干氣密封損壞

2021年5月，干氣密封運行期間，前系統出現緊急停車，干氣密封氣源壓力(PI15325)由6.1 MPa降至5.7 MPa，其間使用高壓氮氣作為氣源， PI1533降至低聯鎖值(50 kPa)，3 s后機組跳車。機組跳車后，驅動端及非驅動端泄漏氣壓力恢復正常。從趨勢看，干氣密封驅動端泄漏量無明顯異常，隨后嘗試沖轉開車。因驅動端一級泄漏氣壓力低聯鎖觸發停車，基本判斷驅動端干氣密封出現問題，機組轉入更換干氣密封階段[3-4]。

2.3 密封拆解情況

委托專業維修廠家對干氣密封進行維修拆檢，結果如下：

(1) 拆一、二級彈簧座連接螺栓。因螺栓安裝時涂有螺紋鎖固膠，使用熱吹風機吹熱后，拆卸取出卡圈，將二級彈簧座拿開后，發現二級動靜環密封面存在磨損(見圖6)。二級動環處于卡死的狀態，“O”型圈出現傷痕；不裝“O”型圈時再用推環反復壓彈簧，發現反彈良好，各彈簧目測完好；二級動靜環摩擦副端面有明顯接觸運轉痕跡，動環卡死，靜環無追隨性；拆解靜環后可見二級靜環“O”型圈表面磨損，彈簧座滑移面有磨痕。

圖6 二級靜環密封面存在磨損

(2) 拆一級動靜環密封。各處都比二級動靜環情況稍好，但“O”型圈也有磨損且軸向滑動不良。一級靜環(見圖7)摩擦副端面有明顯接觸運轉痕跡，痕跡分布整個端面；一級泄漏氣通道可見石墨粉末。

圖7 一級靜環密封面存在磨損

2.4 原因分析

(1) 拆解密封后，發現二級動環密封圈卡死，二級密封端面脫開(見圖8)，一級泄漏至二級端面排出，造成一級泄漏氣壓力低聯鎖跳車。

圖8 二級密封端面

(2) 二級動環卡死的原因，主要是“O”型圈磨損，一、二級摩擦副端面運轉接觸磨損，石墨粉末等雜質堆積在彈簧座滑移面處。隨著現場工藝波動、機組的震動、機組軸位移變化等，推環密封“O”型圈與彈簧座滑移面發生相對運動，在石墨粉等固態顆粒雜質的作用下，摩擦力增加，彈簧座滑移面粗糙度降低。

(3) 機加工精度較低，相關零部件幾何精度和形位公差偏大，造成相關配合垂直度尺寸、表面粗糙度等指標超標，在運行期間引起“O”型圈表面粗糙度降低。滑動表面的粗糙度是引起“O”型圈表面摩擦與磨損的直接因素。

(4) 該密封一級、二級摩擦副端面同時磨損，可能是密封轉動組件的定位面精度下降、垂直度降低造成，導致密封轉動件與定位面間相對運轉。從拆解下的密封可見，壓緊套外端面有明顯運轉磨損痕跡。該密封采用鎖緊背冒作為定位原件，裝拆時都會對其進行敲擊，導致工件變形、定位面精度下降。

2.5 解決及防范措施

(1) 使用杜邦公司密封圈，保證其產品質量和使用壽命。

(2) 干氣密封彈簧座滑移面，壓緊套外端面表面粗糙度不低于0.4，形位公差精度不低于5級。

(3) 干氣密封安裝時，必須嚴格按照圖紙尺寸進行復測，同時保證定位面粗糙度不大于0.8，位置公差精度不低于5級。

(4) 該密封主體結構原采用雙旋向流體動壓

槽，要求端面脫開，差壓高、抗波動能力差、氣膜不穩定。為此，改為單旋向螺旋槽，其抗波動能力強，可提高氣膜穩定性。

(5) 增大干氣密封過濾面積并增加過濾器的長度，以滿足使用要求。

3 改造效果

針對合成氣壓縮機葉輪和干氣密封損壞情況，采取改造優化處理措施后，事故停車次數減少，降低維修成本，節約能源，實現了裝置長周期安全穩定運行[4]。

4 結語

針對合成氣壓縮機干氣密封和葉輪損壞的原因分析，采取了處理防范措施，為今后合成氣壓縮機組長周期運行提供了保證。