郭韶華

(河南開祥精細化工有限公司 ， 河南 三門峽 472300)

循環(huán)氫壓縮機能夠提供氫氣在系統(tǒng)中循環(huán)流動所需的動力，滿足化工生產(chǎn)相關(guān)反應(yīng)對于氫油比的需求，同時也能夠?qū)Ψ磻?yīng)器中的反應(yīng)溫度進行有效的控制，提升散熱效果，在很多化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而在循環(huán)氫壓縮機中，葉輪是非常關(guān)鍵的組成部分，是確保設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)，一旦葉輪出現(xiàn)損壞，循環(huán)氫壓縮機會出現(xiàn)聯(lián)鎖停運的情況，影響生產(chǎn)的順利實施。從技術(shù)人員的角度，必須做好循環(huán)氫壓縮機的維護工作，對葉輪開裂的原因進行分析，采取有效的應(yīng)對和處理措施，為循環(huán)氫壓縮機的穩(wěn)定可靠運行提供保障。

1 概況

某化工廠在加氫裂化工藝中，采用的是BCL408A離心式循環(huán)氫壓縮機，機身部分采用的是垂直剖分結(jié)構(gòu)，動力為汽輪機。循環(huán)氫壓縮機的轉(zhuǎn)子由多片閉式葉輪構(gòu)成，葉輪的材質(zhì)使用的是FV520B，直徑為420 mm，布氏硬度處于254～295 HB的范圍內(nèi)，最大屈服強度為700～800 MPa。葉輪轉(zhuǎn)速參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速12 033 r/min，跳閘轉(zhuǎn)速14 300 r/min，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速13 028 r/min，一階臨界轉(zhuǎn)速4 950 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速18 010 r/min。

在生產(chǎn)過程中，循環(huán)氫壓縮機連續(xù)兩次出現(xiàn)了葉輪開裂問題。第一次葉輪開裂發(fā)生在2020年4月1日下午14：20，裝置經(jīng)過檢修后投入運行，當(dāng)生產(chǎn)進行到360 ℃硫化恒溫環(huán)節(jié)時，循環(huán)氫壓縮機中的K102軸發(fā)生劇烈振動，引發(fā)聯(lián)鎖停機問題[1]。維修人員在對聯(lián)鎖記錄進行檢查時，發(fā)現(xiàn)軸承的兩個振動值都相對較高，判定循環(huán)氫壓縮機內(nèi)部存在機械損傷，拆機檢查，發(fā)現(xiàn)在第二級葉輪上出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象，裂縫已經(jīng)貫穿。將葉輪拆下后，通過焊接、固溶、調(diào)質(zhì)等工序，對其進行了修復(fù)，修復(fù)完成后將葉輪裝回，經(jīng)測試后，于4月10日晚19：00正常開機。4月22日上午9:12，循環(huán)氫壓縮機K102軸再次出現(xiàn)了高振聯(lián)鎖停機問題，緊急停工導(dǎo)致全線生產(chǎn)受阻。再次拆機檢查，發(fā)現(xiàn)依然是第二級葉輪開裂，不過開裂位置并非上次修復(fù)的位置。對此，在更換全新葉輪組恢復(fù)生產(chǎn)后，組織技術(shù)人員和專家對葉輪開裂的原因進行了分析[2]。

2 葉輪開裂原因

最初在進行拆機檢修前，維修人員判斷可能是因為在生產(chǎn)中，壓縮機本身的密封不嚴密，有金屬塊進入到設(shè)備內(nèi)部，引發(fā)機械損傷問題，最大的可能是循環(huán)氫壓縮機入口位置過濾網(wǎng)的支撐板發(fā)生了斷裂，或者破碎的金屬濾網(wǎng)進入到壓縮機中。在拆機后，發(fā)現(xiàn)過濾網(wǎng)以及支撐板完好，因此將這一原因排除。經(jīng)拆機檢查和葉輪檢測，確定葉輪開裂的原因有兩個。

2.1 葉片本身質(zhì)量

在完成壓縮機的拆機檢查后，發(fā)現(xiàn)第二級葉輪出現(xiàn)了貫穿性裂紋，對其進行了硬度測試，發(fā)現(xiàn)葉輪在硬度方面超過了其他葉輪，表明該葉輪在經(jīng)過熱處理后，并沒有與其他葉輪的狀態(tài)保持一致?；诖?，經(jīng)研討后，認定第二級葉輪本身存在質(zhì)量問題，可能是加工處理環(huán)節(jié)有缺陷，不過缺陷比較微小，沒有被發(fā)現(xiàn)，又或者在熱處理環(huán)節(jié)，沒有能夠達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，屬于殘次品[3]。

2.2 生產(chǎn)工藝影響

生產(chǎn)工藝對于循環(huán)氫壓縮機葉輪的影響主要體現(xiàn)在氯離子腐蝕方面，在對壓縮機進行拆機檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在有大量氯化銨鹽，而葉片本身的材質(zhì)對于氯離子十分敏感，在同時接觸空氣和銨鹽的情況下，容易被腐蝕。為了進一步確定該猜想，對銨鹽進行了更加深入的分析，首次拆機檢查環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備外殼和內(nèi)殼之間存在結(jié)晶鹽，在內(nèi)缸固定無法抽出的情況下，借助蒸汽配合水洗的方式進行采樣，對水樣進行分析，結(jié)果見表1[4]。

表1 臨時樣本水樣檢測結(jié)果

注：水樣1是轉(zhuǎn)子抽出之前，在設(shè)備低點進行采樣；水樣2是轉(zhuǎn)子抽出之后，在彎道以及回流器中進行采樣。

對照表1檢測結(jié)果可知，所有水樣中都有氯離子的存在，白色物質(zhì)檢測后確定為氯化銨。企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，加氫裂化裝置中使用的氫氣是由重整裝置提供的，不過重整氫氣中存在著氯離子超標(biāo)的現(xiàn)象。循環(huán)氫在接觸熱高分換熱器的外殼時，會產(chǎn)生相應(yīng)的氯化銨鹽結(jié)晶，結(jié)晶附著在外殼上，會導(dǎo)致出口和入口位置的壓差不斷增大，影響循環(huán)氫壓縮機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。而在設(shè)備檢修中，對系統(tǒng)中的換熱器進行了檢修，發(fā)現(xiàn)在換熱器內(nèi)容有大量氯化銨鹽的存在，證明壓縮機內(nèi)殼上附著的白色物質(zhì)是氯化銨，其會引發(fā)嚴重的腐蝕問題[5]。

3 葉輪開裂處理措施

3.1 設(shè)備處理措施

對照循環(huán)氫壓縮機葉輪開裂的原因，對設(shè)備進行了相應(yīng)的優(yōu)化處理。①葉輪首次開裂后，在對其進行修復(fù)的同時，聯(lián)系相應(yīng)的生產(chǎn)廠商，加工了同類型的葉輪做備用，使得葉輪在第二次開裂后，能夠通過更換備用葉輪的方式快速消除故障。不過在實踐中，故障的緊急處理僅僅針對第一級和第二級葉輪進行了相應(yīng)的全面檢測，其他葉輪在沒有檢測的情況下，一樣存在發(fā)生開裂的可能性。從這個角度看，需要繼續(xù)聯(lián)系廠商加工一整套備用轉(zhuǎn)子，做到防患于未然。②對于兩次開裂的葉輪，在更換下來后，送到權(quán)威機構(gòu)進行了全面檢測分析，也自主研究了葉輪材質(zhì)對于氯離子腐蝕的響應(yīng)情況，確定氯離子腐蝕同樣可能引發(fā)葉輪開裂問題。對此，和生廠商進行了溝通，實現(xiàn)了葉輪定制，要求在后續(xù)葉輪的生產(chǎn)中，選擇的葉輪材質(zhì)能夠很好地抵御氯離子腐蝕作用的影響。③為了避免出現(xiàn)葉輪再次開裂的問題，設(shè)置了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，對人員和設(shè)備進行了合理安排，確保在因為突發(fā)因素出現(xiàn)葉輪開裂后，能夠快速進行處理，盡可能地將葉輪開裂問題的影響降到最低。

3.2 工藝處理措施

考慮到氯離子腐蝕因素對葉輪的影響，從防范葉輪開裂問題再次發(fā)生的角度，化工企業(yè)需要對工藝進行優(yōu)化處理。結(jié)合葉輪開裂原因的分析，結(jié)果表明，在壓縮機的內(nèi)殼上，存在有氯化銨鹽，其會對葉輪的材質(zhì)產(chǎn)生腐蝕，引發(fā)葉輪開裂的問題，基于此，在工藝中必須盡可能地消除氯離子腐蝕的影響。而結(jié)合化驗分析結(jié)果可知，在循環(huán)氫中存在的氯離子基本都是來自新氫組分，由重整氫提供。對此，可以在重整單元，針對氯離子進行全面檢測，如果發(fā)現(xiàn)氯離子含量超標(biāo)，需要對脫氯劑進行更換，將產(chǎn)品質(zhì)量控制在相關(guān)規(guī)范允許的范圍內(nèi)。應(yīng)該隨時關(guān)注換熱器殼程循環(huán)氫出入口的壓差變化情況，當(dāng)壓差增大，超過設(shè)定值時，需要對換熱器中的氯化鈉結(jié)晶鹽進行清理，避免結(jié)晶鹽堆積對循環(huán)氫系統(tǒng)整體的影響，規(guī)避應(yīng)力引發(fā)的葉輪開裂問題。另外，在工藝操作中，應(yīng)該嚴格按照作業(yè)指導(dǎo)書的要求進行，確保操作平穩(wěn)，避免操作不當(dāng)引發(fā)的設(shè)備參數(shù)劇烈波動的問題。

3.3 改造處理措施

事實上，在該循環(huán)氫壓縮機中，前三級葉輪的尺寸完全相同，對于突發(fā)性的葉輪開裂故障，可以對設(shè)備進行簡單改造，將出現(xiàn)開裂的葉輪直接去掉，然后將第一級葉輪后移，于第一級葉輪原本的位置設(shè)置軸套來固定各個葉輪。改造后的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)：總質(zhì)量325 kg，總長度1 849.3 mm，跨徑1 466.5 mm，轉(zhuǎn)速范圍8 201～13 033 r/min，工作轉(zhuǎn)速為12 425 r/min，長徑比為9.66。

考慮在改造后，設(shè)備在運行中可能轉(zhuǎn)子不平衡的問題，從而引發(fā)機器的劇烈振動。為了規(guī)避這一問題，需要做好轉(zhuǎn)子動平衡試驗：在真空狀態(tài)或者接近真空狀態(tài)下，對轉(zhuǎn)子實施高速動平衡試驗，最大轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。結(jié)合試驗結(jié)果分析，在經(jīng)過改造后，轉(zhuǎn)子能夠滿足動平衡試驗的相關(guān)要求，一階臨界轉(zhuǎn)速約為4 500 r/min，此時轉(zhuǎn)子的振動速度最大為1.66 mm/s；二階臨界轉(zhuǎn)速達到11 600 r/min，此時轉(zhuǎn)子振動速度最大為2.36 mm/s，均能夠滿足設(shè)備運行需求。對改造前后循環(huán)氫壓縮機的運行情況進行對比分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 改造前后壓縮機運行情況對比

由圖1可知，伴隨著運行時間的延長，壓縮機入口位置的流量穩(wěn)定在89～95 m3/h，能夠滿足實際運行需求。經(jīng)過改造后，壓縮機入口流量略低于改造前，分析原因主要是存在一定的氣動損失，影響了設(shè)備運轉(zhuǎn)的效率。經(jīng)過粗略計算后，第一級效率下降了約13%，主要是由于進口損失量增加導(dǎo)致，損失的數(shù)值在200～300 kPa。改造前后出口位置壓力的變化如圖2所示。

圖2 改造前后出口位置壓力變化

由圖2可知，伴隨著運行時間的增加，出口位置的壓力保持在正常水平，改造前后的數(shù)值越發(fā)接近。在入口流量以及轉(zhuǎn)速相同的情況下，出口位置的壓降在130 kPa左右。

從壓縮機后軸位置的同一截面上，選擇兩個測點A和B，要求其對稱分布，以V1-A和V1-B來表示，在前軸位置同一截面上，同樣選擇兩個測點A和B，要求其對稱分布，以V2-A和V2-B來表示。對照壓縮機軸體振動數(shù)值與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，在正常運行的情況下，壓縮機的轉(zhuǎn)速保持在9 200r/min，而在轉(zhuǎn)速達到約1/3，也就是3 070 r/min時，軸體最大振動幅度約為40 μm，出現(xiàn)在V2-B點位置。隨著轉(zhuǎn)速的增大，軸體趨于穩(wěn)定，振動幅度下降到25 μm，遠小于壓縮機允許振動值(62 μm)。這也表明在正常運行的情況下，改造后的葉輪一階臨界轉(zhuǎn)速值為3 070 r/min。

另外，在完成循環(huán)氫壓縮機的改造后，設(shè)備開機環(huán)節(jié)，軸瓦的溫度會隨著轉(zhuǎn)速的增加而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從主止推軸承和副止推軸承上分別選擇兩個點，記做T1-A、T1-B與T2-A、T2-B，然后在前后支撐軸承上也各選擇兩個點，記做T3-A、T3-B與T4-A、T4-B，對軸瓦溫度隨轉(zhuǎn)速的變化情況進行研究分析，結(jié)果顯示，在正常運行的情況下，軸瓦溫度最高值為66.3 ℃，出現(xiàn)在T3-A位置，這個溫度數(shù)據(jù)小于壓縮機正常運行中允許的最高溫度值106 ℃，壓縮機運行的安全性可以得到保障。

4 結(jié)語

循環(huán)氫壓縮機在實際運行中，會受到很多因素的影響，可能導(dǎo)致其葉輪開裂的因素多種多樣，需要檢修維護人員通過相應(yīng)的檢測分析，找出導(dǎo)致葉輪開裂的主要原因，采取有效的措施進行應(yīng)對和解決，以此來保證設(shè)備的穩(wěn)定可靠運行。結(jié)合上文提到的情況，引發(fā)葉輪開裂的主要運營，是循環(huán)氫中氯離子含量超標(biāo)，對于葉輪材質(zhì)產(chǎn)生了腐蝕，需要在后續(xù)葉輪材質(zhì)的選擇方面做好應(yīng)對和方法，對存在的問題進行解決。