王芝明,王凱,徐鑫金
(1.煙臺萬華華東建設工程有限公司;2.萬華化學集團設備運維管理有限公司,山東 煙臺 264002)
某合成氨裝置是上世紀70 年代引進美國凱洛格生產(chǎn)技術,2005 年進行了擴能改造,日產(chǎn)合成氨1500t。合成氣壓縮機組(103J)是隨裝置引進美國DELAVAL 的關鍵設備之一,其作用是將溫度7.5℃、壓力2.5MPa 的合成氣加壓至14.1MPa 送至合成塔進行氨合成反應。機組由高壓背壓式汽輪機(103JAT)、中壓凝汽式汽輪機(103JBT)、低壓缸和高壓缸組成;高壓汽輪機額定功率14914kW,中壓汽輪機額定功率5593kW,機組額定工作轉速為10850r/min。
機組油系統(tǒng)包含潤滑油、調速油、密封油3 部分,其中主、輔潤滑油泵為單級離心泵,主、輔密封油泵為齒輪泵,一臺汽輪機軸伸兩端分別連接主潤滑油泵與主密封油泵;一臺電機軸伸兩端分別連接輔潤滑油泵與輔密封油泵;主輔密封油泵的入口為潤滑油泵出口的一個分支。機組原采用機械液壓式調速器進行調速控制,2008年9 月進行了電子調速改造,取消原飛錘式超速保護系統(tǒng),選用3 取2 電子超速保護系統(tǒng)實現(xiàn)超速保護,新增了1臺速關組件和2 臺伺服機構。
2016 年6 月3 日,高壓汽輪機(103JAT)轉子振動聯(lián)鎖跳車,通過在線監(jiān)測系統(tǒng)查看汽輪機的運行趨勢、波形、相位變化及頻譜圖、軸心軌跡,發(fā)現(xiàn)在汽輪機振動增大時,以一倍頻為主,存在低頻成分,相位改變,分析轉子動平衡發(fā)生改變,并出現(xiàn)了碰磨現(xiàn)象,解體檢修發(fā)現(xiàn)第三級一葉片從根部斷裂,與隔板發(fā)生碰磨,斷裂葉片前后對比如圖1 所示。
圖1 高壓汽輪機轉子末級葉片斷裂前后對比照片
該轉子是由國內(nèi)某化工機械廠完全按照Delaval 原設計加工、生產(chǎn)制造的二級改三級國產(chǎn)化節(jié)能轉子,斷裂的第三級葉片為自帶圍帶并在頂部整圈裝配內(nèi)置拉筋,葉片材質為AISI422 不銹鋼,拉筋材質為TC4 鈦合金,分析該轉子葉片發(fā)生斷裂的主要原因如下:
(1)對斷裂葉片進行金相組織分析,葉片中非金屬雜物超標,葉片的承載能力降低導致斷裂。葉片金相組織中非金屬夾雜物如圖2 所示。
圖2 斷裂葉片金相組織照片
(2)葉片內(nèi)置拉筋安裝工藝的影響。該轉子第2、3 級葉片是內(nèi)置拉筋結構,拉筋的制造和安裝都是有間隙的松裝,然后冷滾壓成型,如圖3 所示,安裝后內(nèi)置拉筋與葉輪槽存在間隙,運行時間長拉筋振動摩擦發(fā)生斷裂,導致葉片振動發(fā)生斷裂。
圖3 松拉筋安裝示意圖
2016 年對發(fā)生葉片斷裂的轉子進行了修復和改造:葉片和拉筋材質不變,更換了第二、三級所有葉片及葉頂內(nèi)置拉筋,嚴格控制葉片中非金屬夾雜物在標準范圍內(nèi),并對葉片結構進行了優(yōu)化,委托專業(yè)拉筋廠加工,保證尺寸誤差,并將原來的直拉筋加工成圓弧狀,由原來的冷滾壓改成熱滾壓安裝,改造后未發(fā)生葉片斷裂。
2013 年9 月,中壓汽輪機(103JBT)軸位移突然上升,2013 年12 月,軸位移上升至聯(lián)鎖值。檢修時發(fā)現(xiàn)103JBT 止推軸承瓦塊(金斯博雷軸承)和轉子推力盤主推力面嚴重磨損,最大磨損處已經(jīng)接近1mm。檢修更換轉子及新的推力瓦塊后,運行幾天后103JBT 軸位移再次出現(xiàn)增長的趨勢,裝置停車對止推軸承進行了檢查,止推軸承瓦塊出現(xiàn)磨損。推力盤和止推瓦塊磨損如圖4 所示。
圖4 止推盤和止推瓦塊磨損情況
圖5 放電裝置
從圖4 中可以看出推力盤表面全部呈麻狀面,瓦塊磨損部位的表面也出現(xiàn)了麻點,表明呈銀灰色,類似經(jīng)過噴砂一樣,而且磨損區(qū)域與未磨損區(qū)域出現(xiàn)了一條明細的分界線。
中壓汽輪機(103JBT)為凝汽式汽輪機,隨著蒸汽的做功,在轉子的末級和次末級會出現(xiàn)蒸汽冷凝的液滴,轉子高速旋轉葉片與液滴摩擦會產(chǎn)生靜電,通常這個靜電不會對轉子運行造成影響,但隨著靜電聚集超過一定電壓,就會擊穿軸承與軸間的油膜,在瓦塊上產(chǎn)生凹坑,導致靜電腐蝕,油楔被破壞,瓦塊磨損,軸位移增加。一般認為,足以引起軸承電流損傷的電壓在20V 以上,典型的軸承損傷電壓在30 ~100V。另外該設備之前從來沒有出現(xiàn)過這樣的故障,此次變動是把原來的潤滑油牌號進行了更換,更改潤滑油后,軸承油楔中的油膜減薄使得油膜更容易被擊穿。根據(jù)103JBT 止推軸承磨損的特征,磨損面存在麻點的情況,結合各類資料可以判定磨損的現(xiàn)象為靜電腐蝕。為了解決該問題采取了以下措施:
(1)對機組潤滑油進行更換,將某牌潤滑油換成以前使用的長城牌SH46 合成抗氨汽輪機油。
(2)API612 要求“凝汽式汽輪機應在軸的同一端安裝兩只接地電刷”,在汽輪機軸端安裝了導靜電刷,安裝后使用萬用表測量轉子運行時對地電壓,從不安裝電刷的36V 降低到0.5V。該裝置安裝以后,運行至今未發(fā)生推力瓦磨損的故障。
合成氣壓縮機從2008 年電子調速的改造后,始終存在主、輔油泵切換,主油泵打閘停機,機組發(fā)生跳車的問題,嚴重影響機組的平穩(wěn)運行。
現(xiàn)象為主、輔油泵切換,主油泵打閘停機或緩慢降低轉速停機,或者主油泵因故障停機,輔油泵聯(lián)鎖啟動后調速油壓波動,調速油壓最低下降至470~480kPa 時,機組轉速開始快速下降,直至200r/min,機組失速聯(lián)鎖動作跳車。電子調速改造主要增加了1 臺速關組件和2臺伺服機構,速關組件內(nèi)部控制原理圖見圖6 所示,電液轉換器供油切換閥2050 的動作原理為:圖中P 為調速油進油,當開啟手輪閥1830 建立起速關油后,速關油作用到切換閥2050 頂部,速關油克服彈簧力將2050 閥打開,使得調速油P 進入到電液轉換器內(nèi),電液轉換器接收4~20mA 信號將調速油轉換成0.15~0.45MPa 二次油作用到伺服機構上來調節(jié)汽輪機氣閥控制轉速。
圖6 103J 速關組件控制原理圖
2017 年12 月,將拆下的速關組件送至廠家進行試驗,發(fā)現(xiàn)切換閥2050 的動作值為0.57MPA,遠遠高于標準值0.30~0.35MPA,即當調速油壓力低于0.57MPA 時就會造成切換閥2050 閥關閉,電液轉換器供油被切除,二次油壓全都降至0,汽輪機調汽閥關閉,轉速低于200r/min 時系統(tǒng)判斷為失速而跳車。主輔油泵切換機組跳車原因是2008 年機組進行電子調速改造后,速關組件和伺服機構的用油量增大,潤滑油泵流量不能滿足需要,調速油壓力下降至 0.67MPA,而切換閥2050 的動作值為0.57MPA,設定過高,在主輔油泵切換過程中,油壓波動,調速油壓低于0.57MPA 而造成2050 閥關閉,造成機組跳車。為了解決問題,采取以下改進措施:(1)對主、輔泵的潤滑油泵進行擴能,增大葉輪尺寸,提高總油量。更換新葉輪后,調速油壓力由0.67MPA 提高到0.87MPA。(2)將油系統(tǒng)中的膠囊式預充氣蓄能器改為氣液直接接觸式蓄能器。該氣液直接接觸式蓄能器為專門研制,提高了供油量和蓄能時間。(3)將速關組件中切換閥2050的動作壓力值由0.57MPa 調整至0.32MPa( 標準值為:0.3~0.35MPa)。采取以上措施后,徹底解決切換跳車問題。
2019 年1 月4 日,合成氣壓縮機高壓透平(103JAT)提板閥PRC12 突然關小造成蒸汽和油系統(tǒng)波動,1 月4 日至10 日期間,一直存在緩慢波動的情況。具體現(xiàn)象為控制提板閥PRC12 開度的二次油壓力不穩(wěn)定,隨著調速油壓力波動,造成PRC12 閥位開度波動,因PRC12 控制的是高壓蒸汽,PRC12 閥關小后造成汽輪機出口蒸汽壓力降低,從而影響到主潤滑油泵驅動汽輪機的進汽壓力,進汽壓力降低造成主潤滑油汽輪機轉速下降,調速油壓力降低,PRC12 電液轉換器輸出二次油壓隨調速油壓力降低而減小,PRC12 再次關小,造成蒸汽系統(tǒng)和油系統(tǒng)波動。且在調整PRC12 閥位時存在不動作或嚴重滯后的情況,經(jīng)排查和分析,最終判斷為機組速關組件上的電液轉換器內(nèi)部錯油門發(fā)生卡澀。
卡澀的原因分析有以下2 點:(1)PRC12 長期閥位不調整,造成電液轉換器錯油門與殼體間形成氧化物或粘稠物造成卡澀。(2)潤滑油使用后氧化產(chǎn)生漆膜和油泥,造成電液轉換器錯油門卡澀。該機組潤滑油在2018 年12月7 日進行了清潔度分析,按油品潔凈標準NAS1638 判定為9 級,而電液轉換器要求的油品清潔度NAS1638 為7 級,而103J 調速油過濾器過濾精度為10μ,無法達到NAS1638 為7 級標準。
為了解決電液轉換器卡澀的問題,采取了以下不停機處理方法:
(1)使用2 臺螺旋千斤頂將PRC12 汽閥頂住,斷開PRC12 汽閥與油動機拉桿,然后在60%~100%閥位范圍內(nèi)以最大20%閥位變化調整PRC12 開度。
(2)對機組潤滑油進行部分置換,減少油系統(tǒng)中雜質。同時使用平衡電荷凈化濾油機對潤滑油進行過濾。過濾15 天后,潤滑油清潔度達到了NAS1638 為8 級標準。
(3)將油動機滑閥底部振幅調整頂絲開大,提高二次油的回油量,增加對電液轉換器的干擾,避免卡澀。
(4)對PRC12 定期地改變開度進行擾動,增加調速油的流動,防止油中析出的氧化物或粘稠物在縫隙處聚集。
經(jīng)過以上處理后,電液轉換器卡澀故障基本已解決,避免了裝置停車。另外為了徹底避免電液轉換器卡澀故障再次發(fā)生,在停機的時候采取以下改進措施:
(1)在調速油上油管線上增設1 組5μ 高效過濾器,增強調速油系統(tǒng)抗污染能力。
(2)在每個大修期間由專業(yè)廠家對所有電液轉換器進行清洗和調試。
(3)改進電液轉換器安裝模塊,增設二次油切除閥門,可實現(xiàn)不停機更換電液轉換器。
2019 年9 月28 日05∶43,高壓汽輪機103JAT 入口側 3H-3V 振值同時從13um 上漲達到47.71um,05∶48 恢復正常,持續(xù)時間5min42s,出口側4H-4V 都同時有相應變化,振值上升時相位從37°變化成246°,軸心軌跡也有變化,振值變化和持續(xù)時間如圖7 所示。
圖7 103JAT 振動波動趨勢
運行幾天后,10 月1 日、10 月6 日、10 月12 日、10 月15 日、10 月18 日、10 月21 日、10 月22 日再次出現(xiàn)類似振值,最高振值達到58.8um,處于黃燈報警,發(fā)生時間由間隔5~6 天減少為2~3 天發(fā)生1 次,每次持續(xù)時間5~7min 后恢復正常,經(jīng)分析判斷為103JAT 出口側油封內(nèi)積碳碳化,碳化物累計以后與轉子發(fā)生碰磨,瞬間轉子的固有頻率值就會上升,當剝離飛散后,峰值恢復原值,振動下降,之后再次出現(xiàn)堆積、接觸、飛散的過程,為了不停機解決該問題,在103JAT 汽封和油封間隙處安裝1 個銅板+石棉板的復合板,保證汽封漏氣不會對油封進行加熱,導致潤滑油碳化,同時對103JAT汽封和油封間增加氮氣吹掃,采取以上措施后,振動波動明顯好轉,波動時間從2~3 天延長至8~10 天,波動時振值也下降至報警值。裝置檢修時檢查兩端油封,發(fā)現(xiàn)排氣端氣封中潤滑油進入碳環(huán)嚴重,導致摩擦,如圖8所示,檢修對油封進行了更換,并在氣封和油封間增加了氮氣吹掃,運行至今未出現(xiàn)以上故障。
圖8 103JAT 排氣側氣封內(nèi)進油積碳照片
通過采取以上措施,解決了影響合成氣壓縮機機組穩(wěn)定運行的瓶頸問題,保障了合成氨裝置的長周期運行。