50-5E6B 膨脹機(jī)組噴嘴組件損壞的原因分析

王建鑫，張賀博

（1.中國石油吐哈油田公司鄯善采油管理區(qū)基建設(shè)備中心，新疆吐魯番 838202；2.中國石油吐哈油田公司油氣生產(chǎn)服務(wù)中心，新疆吐魯番 838202）

0 引言

某輕烴裝置中，50-5E6B 透平膨脹機(jī)組是氣處理裝置生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。該機(jī)組于2014 年安裝投產(chǎn)，2017 年大修后已累計(jì)運(yùn)行25 000 h 以上，逐漸出現(xiàn)機(jī)組性能下降，泄漏點(diǎn)增多、轉(zhuǎn)速波動(dòng)加大，噴嘴葉片及滑盤相繼出現(xiàn)磨損、卡住等故障，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行和生產(chǎn)。為保障機(jī)組安全、正常運(yùn)行，擬對(duì)該機(jī)組進(jìn)行大修。在人員、技術(shù)文件、資料、工具、配件、工裝、場地等方面做好準(zhǔn)備工作后，設(shè)備維修人員對(duì)機(jī)組、噴嘴傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)進(jìn)行改造、更換。

1 機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該50-5E6B 透平膨脹機(jī)組由一臺(tái)單級(jí)膨脹機(jī)和一臺(tái)位于主軸另一端起負(fù)載作用的單級(jí)離心壓縮機(jī)組成，膨脹機(jī)—壓縮機(jī)機(jī)組安裝在一塊鋼制結(jié)構(gòu)的撬裝上。撬裝上還裝有配套的潤滑系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，用于制取石油氣液化和分離所需的冷量。轉(zhuǎn)子周圍設(shè)有可調(diào)噴嘴組件，以控制流程氣的流量及可調(diào)節(jié)背壓。它將儀表空氣信號(hào)用于氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)噴嘴葉片之間的開度，無論噴嘴開度如何變化，高速氣流總能以合適的角度進(jìn)入葉輪，這使得設(shè)備在很大的流量范圍內(nèi)具有很高的效率。

密封氣系統(tǒng)軸封為緊配合、迷宮式結(jié)構(gòu)，并配有引入熱的干燥密封氣的部件（可調(diào)節(jié)控制溫度的密封氣加熱器）。在操作期間，密封氣注入膨脹機(jī)密封結(jié)構(gòu)的中。膨脹機(jī)排放的密封氣和壓縮機(jī)外漏的工藝氣與潤滑油一起從軸承箱進(jìn)入到壓力油箱，氣體在此從潤滑油中分離出來。經(jīng)除霧器和壓力控制閥排入低壓管線。如果設(shè)備長期不用，則應(yīng)打開V511 閥，使密封氣進(jìn)入壓縮機(jī)的迷宮密封結(jié)構(gòu)中，這樣可以防止?jié)櫥驮趬嚎s機(jī)殼體內(nèi)的壓力低于油箱壓力時(shí)漏入壓縮機(jī)殼體內(nèi)（在非運(yùn)行期間）。

為防止止推軸承超載和損壞，機(jī)組配有推力平衡系統(tǒng)。推力平衡系統(tǒng)對(duì)前后止推軸承中的壓力敏感，對(duì)此兩種壓力加以比較，并調(diào)節(jié)壓縮機(jī)葉輪后面的壓力，從而使前后止推軸承中的壓力大致相同，這種調(diào)節(jié)在任何轉(zhuǎn)速下均可實(shí)現(xiàn)（表1）。

表1 透平膨脹機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)

2 機(jī)組檢修經(jīng)過

輕烴裝置2＃膨脹機(jī)組于2020 年10 月26 日開始檢修，拆卸后發(fā)現(xiàn)膨脹端葉輪入口有吹蝕痕跡，噴嘴滑動(dòng)盤與擴(kuò)壓器軸向表面存在嚴(yán)重吹蝕，甚至出現(xiàn)3～4 mm 深的凹槽。解體主機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子總成中膨脹端的葉輪磨損，動(dòng)平衡精度超差，因此更換了轉(zhuǎn)子總成；兩端的迷宮密封套也已經(jīng)磨損超差、不能重復(fù)使用，因此也進(jìn)行了更換；檢查前后端軸承、均有不同程度磨損，更換了前后端軸承。同時(shí)，在安裝過程中發(fā)現(xiàn)訂購來的一批配件存在加工尺寸不合格、氣孔錯(cuò)位等問題，經(jīng)過現(xiàn)場技術(shù)分析和協(xié)商處理（部分元件繼續(xù)使用舊件，部分使用新件），基本上得到了解決和控制。

10 月29 日檢修完畢，于10 月30 日進(jìn)行試機(jī)。

3 試機(jī)經(jīng)過

10 月30 日20：30 開始試運(yùn)啟動(dòng)，第一次啟動(dòng)時(shí)，噴嘴開度25%時(shí)機(jī)組無響應(yīng)，控制柜上無轉(zhuǎn)速顯示，技術(shù)人員現(xiàn)場反復(fù)檢查確認(rèn)無問題進(jìn)行第二次啟動(dòng)，調(diào)節(jié)噴嘴開度由5%～30%后機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)噴嘴開度調(diào)節(jié)到32%時(shí)轉(zhuǎn)速迅速從7000 r/min分鐘提升至210 000～220 000 r/min，此升速過程中，振動(dòng)值基本維持在（X 端16.5 μm 左右、Y 端43 μm 左右）運(yùn)行，運(yùn)行大概五六分鐘后突然出現(xiàn)一聲異響，觀察膨脹機(jī)各運(yùn)行參數(shù)，除轉(zhuǎn)速從兩萬多緩慢下降外，其他各運(yùn)行參數(shù)（X 軸、Y 軸振動(dòng)值，膨脹端進(jìn)出口壓力、溫度等參數(shù)）無明顯變化，也無報(bào)警顯示，檢查撬裝管路系統(tǒng)沒有外漏現(xiàn)象。為求穩(wěn)妥現(xiàn)場立即停機(jī)，經(jīng)檢查無異常后再次啟動(dòng)仍不成功。

10 月31 日下午，將膨脹機(jī)從撬體上拆解下來，發(fā)現(xiàn)膨脹端葉輪嚴(yán)重受損，噴嘴部件上附著大量鋁質(zhì)殘留，噴嘴葉片出口受損變形；膨脹蝸殼噴嘴后的環(huán)槽腔室內(nèi)殘留有大量鋁質(zhì)小顆粒和粉末。

4 檢修過程中發(fā)現(xiàn)的問題

4.1 配件質(zhì)量問題

（1）膨脹端密封背輪。膨脹端密封背輪圓弧面加工尺寸有問題，裝配后發(fā)現(xiàn)膨脹端密封背輪與葉輪不能完全貼合，有2.5 mm的縫隙（圖1），硬性裝配時(shí)存在密封背輪直接頂在葉輪上、無法盤車的現(xiàn)象。在不影響正常開廠時(shí)間的情況下，大修中膨脹端的密封背輪使用舊密封背輪進(jìn)行組裝，第二次維修時(shí)使用的是庫存?zhèn)浼?/p>

圖1 背輪與葉輪不能貼合

（2）膨脹端密封套。密封套上的密封氣孔位置錯(cuò)誤（圖2），實(shí)際維修中使用的是舊件。

圖2 新舊密封套密封氣孔位置對(duì)比

（3）噴嘴滑動(dòng)盤。噴嘴滑動(dòng)盤的臺(tái)階尺寸有誤。新滑動(dòng)盤的內(nèi)路臺(tái)階軸向?yàn)?.0 mm，原噴嘴滑動(dòng)盤的內(nèi)路臺(tái)階軸向?yàn)?.3 mm（圖3～圖4）。造成安裝后與擴(kuò)壓器端面接觸而產(chǎn)生摩擦，第一次組裝時(shí)使用舊滑動(dòng)盤進(jìn)行組裝試機(jī)。第二次組裝時(shí)對(duì)新滑動(dòng)盤進(jìn)行車削加工處理后安裝。

圖3 新滑動(dòng)盤內(nèi)路臺(tái)階

4.2 前期安裝遺留問題

在第二次機(jī)組解體維修時(shí)發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)壓室下方加裝了一個(gè)石棉板墊片，該墊片厚度為1.5 mm，實(shí)際上僅需要取消擴(kuò)壓室后方的石棉板墊片即可（圖5）。第一次安裝時(shí)，因此次大修配件中沒有做擴(kuò)壓室總成，不屬于易損配件，所以沒有拆卸擴(kuò)壓室。因?yàn)閲娮靾?zhí)行不順暢，在第二次維修時(shí)拆下檢查發(fā)現(xiàn)多加了一個(gè)石棉墊，此處密封應(yīng)為O 形圈密封（圖6）。去掉石棉墊后，解決了噴嘴執(zhí)行不順暢的問題。

圖5 石棉墊片

圖6 擴(kuò)壓室O 形密封圈

5 配件損壞情況分析

透平膨脹機(jī)組膨脹端葉輪嚴(yán)重變形，密封套損壞，噴嘴組件內(nèi)圓上附著大量的鋁質(zhì)殘留物，噴嘴葉片出口受損變形，膨脹端軸承拉傷，轉(zhuǎn)子軸表面上雖然未見損傷，但能否繼續(xù)使用還需要做動(dòng)平衡檢查。

從表面來看，可能是配件尺寸不合適或安裝有誤導(dǎo)致的膨脹端葉輪與噴嘴咬死引起的無法啟動(dòng)事故。但是，進(jìn)行深層次的分析后發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象是由于工作介質(zhì)中含有一定質(zhì)量和強(qiáng)度的顆粒物質(zhì)隨氣流從噴嘴兩葉片間的流道流入后接觸到高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，同時(shí)又受到葉輪葉片的反作用力向外拋向噴嘴葉片，與噴嘴葉片接觸后發(fā)生反彈后再隨高速氣流沖擊葉輪葉片；如此反復(fù)地在噴嘴流道和葉輪流道間的環(huán)槽空間內(nèi)不停地對(duì)膨脹輪造成損傷；當(dāng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速降低至一定值（或停運(yùn)后）就隨氣流一起從葉輪出口流出。對(duì)于氣流中顆粒物的來源，認(rèn)為可能是類似焊接瘤的金屬顆粒，它具有一定的質(zhì)量和強(qiáng)度，外形尺寸小于噴嘴葉片厚度，只有這樣才能從噴嘴流道進(jìn)入葉輪、對(duì)葉輪造成這么大的損傷。隨后檢查膨脹端入口過濾網(wǎng)，入口過濾網(wǎng)是完好的，但是入口過濾網(wǎng)到膨脹機(jī)的入口有約9 m 的距離且有兩個(gè)彎頭，很難避免彎頭處的焊接瘤等雜質(zhì)不掉落（圖7）。

圖7 膨脹端過濾器至機(jī)組入口工藝管線

另外，設(shè)備維修人員檢查了透平膨脹機(jī)組膨脹端和增壓端入口過濾器，過濾器濾網(wǎng)無破損，但是濾網(wǎng)上有大量焊渣和雜物。

綜上所述，造成這次膨脹機(jī)組噴嘴和試機(jī)過程中膨脹端葉輪損壞的直接原因是，工作介質(zhì)氣體中存在具有一定質(zhì)量和強(qiáng)度的顆粒，隨氣流從噴嘴兩葉片間的流道流入后接觸到高速旋轉(zhuǎn)的葉輪輪葉，造成葉輪和噴嘴滑動(dòng)盤損壞。

6 結(jié)束語

通過此次對(duì)透平膨脹機(jī)組檢修后在試機(jī)過程中出現(xiàn)的部分配件損壞事件的認(rèn)真分析，提高了分析問題、解決問題的能力以及維修技術(shù)水平，增強(qiáng)了自信心。原因明確后，更換相應(yīng)受損零部件，重新組裝后試機(jī)加載運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行工況良好。但是也對(duì)技術(shù)和設(shè)備維修人員提出了更高的要求：①必須加強(qiáng)對(duì)技術(shù)和設(shè)備維修人員的技能培訓(xùn)力度；②嚴(yán)格把控設(shè)備配件的驗(yàn)收環(huán)節(jié)，在檢修拆解組裝過程中每一個(gè)數(shù)據(jù)的測量、核對(duì)都要做到精益求精；③不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和加工質(zhì)量不合格的配件絕不能安裝使用。本次檢修過程不僅提高了相關(guān)人員的設(shè)備管理和維修水平，還杜絕了類似損壞事件的發(fā)生，為今后更好地完成設(shè)備維護(hù)保運(yùn)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。