空分裝置氮產品壓縮機跳車原因分析及對策

曾立林

(云南大為制氨有限公司 設備技術部，云南 曲靖 657800)

1 概述

1.1 設備概述

氮產品壓縮機將空分氮氣產品壓縮，二段出口提取部分供氮循環壓縮機，一部分作為低壓氮氣產品送出，另外一部分經三段壓縮后送至用戶。該壓縮機由沈陽鼓風機有限公司生產，型號MCO905，為單缸三段多級離心式壓縮機。其為一級水平進氣，懸臂式葉輪。氣體經一級壓縮后進行冷卻，冷卻氣體經二段壓縮，出口氣體一部分進入工藝流程，其余經冷卻后經三段壓縮送入后續系統。驅動汽輪機為單缸冷凝式，由杭州汽輪機有限公司生產，型號HNK25/36/16。汽輪機與壓縮機通過膜片聯軸器聯接，壓縮機、汽輪機分別安裝在各自鋼底座上。整個機組采用潤滑聯合油站供油。壓縮機由汽輪機驅動，整臺機組為雙層布置，主機布置在二樓，輔機布置在一樓。氮產品壓縮流程見圖1。

圖1 氮產品壓縮機流程簡圖

1.2 故障簡述

2022年2月22日2時56分49秒，空分裝置氮產品壓縮機汽輪機軸位移VZI-1778.1、VZI-1778.2發生突變，增大至 80 μm，達到聯鎖跳車值后機組跳車。22日4時，氮產品壓縮機組隔離，缸體自然降溫；23日8時，缸體降溫合格后，工藝停油循環及機組盤車。檢修人員解體檢查汽輪機進氣側軸承系統，發現汽輪機主推力軸承8塊軸瓦巴氏合金全部嚴重磨損，軸位移增大。檢修人員緊急搶修，更換磨損推力軸承瓦塊，調整裝配數據后回裝。24日0時12分，完成檢修，交工藝油循環；3時23分，經過兩次油循環后確認油循環合格；6時35分，分氮產品壓縮機開始沖轉；8時50分，達工作轉速，運行正常。

2 汽輪機異常跳車原因分析

該汽輪機最近一次大修是2021年8月，它長期運行穩定，運行中各測點軸振動、溫度、軸位移等參數均正常。本次汽輪機運行中軸位移異常突變，主推力瓦塊巴氏合金全部磨損，因此，需要進行原因排查分析。

2.1 儀表探頭故障排查分析

檢查中控機柜間位移信號、現場前置器供電電源。空開電壓為 23.65 V，各項數據顯示正常，未發現異常情況。現場拆卸檢查軸位移探頭是完好的，參數測試也未發現故障，軸位移顯示數據正確。通過檢查，可排除儀表探頭故障造成跳車。

2.2 工藝運行參數變化分析

查看工藝參數可知，機組在跳車前運行穩定，汽機輪室壓力、入口蒸汽流量、入口蒸汽溫度、蒸汽壓力、調節閥開度、汽機排氣壓力、排氣溫度、汽機轉速(見圖2)、潤滑油系統等運行參數(見圖3)正常，均未出現明顯的波動情況。由此可排除因工藝操作參數變化引起的跳車。

圖2 汽輪機跳車前后運行參數變化趨勢圖

圖3 汽輪機潤滑油、控制油變化趨勢圖

2.3 靜電腐蝕情況分析

一般而言，汽輪機都存在軸電壓過高的情況，因此需要對汽輪機進行連續或者定期的接地放電措施。汽輪機產生軸電壓的根本原因是機組在高速運行中(介質)干蒸汽與汽輪機葉片相互摩擦，產生靜電荷，靜電荷的積累使轉子產生軸電壓。當軸電壓積累達到一定值后，便會放電擊穿軸承系統的支撐油膜，并在軸頸表面或軸瓦巴氏合金表面形成密集小坑，造成軸瓦與軸頸表面光潔度下降，進一步影響油膜的形成，使軸承支撐剛度變弱，軸瓦損壞。

現場檢查軸電壓接地裝置，發現接地放電操作箱長期未進行放電操作。現場檢查測試接地裝置，機組電刷至接地線路良好。回裝時對汽輪機放電裝置接線進行優化改進，同時檢查軸頸與徑向軸承軸瓦表面，未見明顯電腐蝕現象，表面光潔。復查徑向軸承裝配尺寸，正常(見圖4)。

圖4 汽輪機軸徑及徑向瓦塊表面

由此可排除因靜電釋放裝置接地不良引起的電腐蝕造成的軸瓦磨損。

2.4 軸向力變化引起軸瓦磨損的情況

該汽輪機按工作原理屬于反動式汽輪機[1]。反動式汽輪機轉子上的軸向推力比同類型沖動式汽輪機的軸向推力要大的多，其軸向推力遠超出推力軸承的承載能力，因此該汽輪機配置有平衡活塞及平衡活塞汽封，以減小軸向推力；通過平衡活塞及汽封，平衡掉大部分軸向推力，使剩余軸向推力在推力軸承的許用承載范圍之內[2]。

汽輪機轉子的剩余軸向力由推力盤與推力軸承承載。推力盤與推力瓦塊巴氏合金工作面之間形成油膜，剛性油膜支撐轉子系統穩定運行。當軸向力發生大幅變化，或超過軸瓦承載極限時，軸承支撐油膜瞬間破裂，推力盤與軸瓦巴氏合金直接接觸摩擦。在高轉速工況下，軸瓦溫度急速升高，巴氏合金融化失效，汽輪機軸位移快速上漲。

分析排查軸向力的變化原因，解體檢查聯軸器系統，發現汽輪機側聯軸器膜片裝配錯誤[3]，如圖5a所示。正確的安裝方式見圖5b。

a.錯誤裝配 b.正確裝配圖5 汽輪機側聯軸器膜片安裝方式

聯軸器膜片安裝錯誤，造成聯軸器膜片實際預拉伸量比正常預拉伸量值增大 6 mm 左右。查看聯軸器圖紙(圖6)，聯軸器膜片預拉伸量上限值為 3.8 mm。現場測量膜片預拉伸量已超過膜片拉伸上限值，膜片實際軸向力遠超軸向力量程 4200 N(估算在7000～8000 N)。因此造成汽輪機轉子系統軸向推力額外增加，推力軸承瓦塊工作面過載，油膜形成不良，最終使軸瓦損壞。

圖6 膜片拉伸量與軸向力關系

同時，檢查軸承系統，發現主推力軸承瓦架水準塊部位承載面存在明顯磨損情況，磨損深度0.06～0.08 mm(圖7)。經分析認為，汽輪機轉子軸向力過大，造成水準塊與瓦架接觸磨損。

圖7 主推瓦架配合面磨損

機組聯軸器膜片的錯誤安裝，導致轉子運行中軸向力額外增大，推力軸承瓦塊承載力大幅增大。同時，由于聯軸器對中影響，主推力軸承瓦塊在運行中承受高幅度的交變載荷應力。在長時間的交變作用力下，交變載荷應力已超過軸承瓦塊巴氏合金的疲勞極限，使主推瓦巴氏合金損壞，最終造成機組軸位移動，引發聯鎖跳車。聯軸器膜片的錯誤安裝是造成本次異常跳車的直接原因。

綜上分析，造成本次機組異常跳車的主要原因是：

1)汽輪機側聯軸器膜片安裝錯誤，導致轉子軸向力額外增大，進而推力軸承瓦塊承載力大幅增大，最終使軸瓦巴氏合金損壞，機組聯鎖跳車。

2)機組檢修過程中未嚴格進行技術質量控制，檢修人員及對裝配過程、數據驗收把控不嚴，造成聯軸器膜片錯誤裝配。

3 改進措施

為避免機組運行中再出現類似故障，采取以下措施進行優化改進：

1)重新安裝機組聯軸器膜片，同時調整膜片預拉伸量值為0±0.20 mm；2)對汽輪機與壓縮機進行重新找正對中，滿足機組對中要求；3)修改標準化作業指導書及相關檢修規程，將膜片安裝及預拉伸量調整作為關鍵驗收節點；4)以此為例，檢修人員及技術員進行相關資料學習，熟悉掌握聯軸器膜片運行原理及安裝要求。

4 結語

設備恢復運行后，轉子振動、溫度、軸位移等各項參數正常，機組運行穩定。通過本此次故障分析和處理，得到以下心得體會：

1)當設備發生故障時，不能只看到表面原因，還應找到產生此故障的根本原因，并進行徹底解決；2)提高對設備的重視程度，同時應嚴格按照檢修規程及標準化作業指導書進行設備的檢修，嚴格控制檢修質量。