延迟焦化装置富气压缩机汽轮机故障分析

马国豪

(中国石油化工股份有限公司济南分公司，山东 济南 250101)

离心压缩机组作为石油化工行业中的核心设备之一，其运行平稳与否直接关系到整个装置甚至多个装置的正常运行。而汽轮机作为离心压缩机(简称离心机)主要驱动机之一更是机组运行正常与否的关键。

1 装置及工艺流程

某公司延迟焦化装置主要加工常减压装置减压蒸馏后的减底渣油、掺炼10%左右的催化油浆或者丙烷脱油沥青。该装置的主分馏塔顶焦化富气经压缩机第一段压缩后流经中间冷却器进行冷却，分液后再进入第二段压缩，最后进入气液平衡罐。该压缩机为2MCL457型，二段七级，由杭州汽轮机有限公司(简称杭汽)生产的背压式汽轮机(NG 25/20)驱动，压缩机与汽轮机之间采用挠性叠片式联轴器联接。该机组采用一个润滑油系统，除了提供润滑外，还向汽轮机调节控制系统提供控制油。随着装置的长周期运行，该汽轮机的做功效率明显下降。本文将就装置长周期生产中的大机组设备的运行状况进行简要分析与探讨。

该公司延迟焦化装置的原料来源有6个：常减压装置的减压塔底部抽出的换后渣油、渣油罐区来的渣油、罐区来的催化油浆、两套催化油浆直供进焦化装置、丙烷脱沥青的脱油沥青以及糠醛抽出余油经由罐区进入焦化装置。上述6种原料在延迟焦化原料罐混合。原料性质日益恶劣对装置长周期运行造成了极大威胁，同时公用系统的运行状态也给装置各个设备的正常运转带来了很多的不利因素。现就该装置富气压缩机的运行状况做简要分析。

2 延迟焦化装置富气压缩机主要技术参数

延迟焦化装置富气压缩机及汽轮机型号参数见表1和表2。

表1 压缩机参数

3 运行状况

机组于2017年3月随全厂进行大修，于2017年4月3日开车运行。在开车升速阶段8 100～8 400 r/min时进汽量没有明显变化，判断为调速汽阀卡塞导致，在8 400 r/min之后恢复正常。

机组开车初期，汽轮机中压蒸汽进汽量26 t/h, 2017年4月3日装置进料后汽轮机总进汽量趋势如图1所示。该汽轮机轮室压力1.6 MPa。由图1可见，机组在运行过程中汽轮机进汽量逐步下降，由刚开机时的最大进汽量32 t/h下降至20 t/h 左右，初步判断为汽轮机转子及过流部件结盐结垢所致。离心机运行状态基本平稳，仅在2018年6～7月和2020年2～3月出现过离心机4个轴振动波动的情况，调整工艺操作后运行逐步趋于平稳，机组干气密封泄漏量正常。

图1 2017年至2020年汽轮机进汽量

该机组运行至2020年6月汽轮机进汽量已经没有调节手段，只能依靠提高中压蒸汽管网压力维持机组运行。由图2可见，2020年6月初，汽轮机进汽量有一次大幅度下滑，在此之前，系统中压蒸汽管网曾有一次较大幅度波动。

图2 2020年汽轮机进汽量

该机组计划于2020年7月初进行计划性停工检修，检修主要内容为：汽轮机检查轴瓦、清洗转子、更换油动机、更换速关阀油缸密封、检查调速汽阀；离心机检查轴瓦、清洗转子、更换两端干气密封。

4 机组拆检过程及分析

2020年7月9日，经上报允许后，决定对延迟焦化装置富气压缩机(设备位号K-201，以后简称K-201)进行停机检修。

4.1 汽轮机轴瓦拆检情况

拆检汽轮机轴瓦发现：前端轴承箱支撑瓦有接触不均匀迹象，如图3所示；推力瓦主推面巴士合金层起皮脱落、副推侧瓦块正常，如图4所示。

图3 前端轴承箱支撑瓦

图4 主推力瓦块上部巴士合金层起皮

经检查，前轴承箱拉杆螺栓与推力轴承座轴向间隙不符合标准要求，拆检拉杆螺栓、螺母，检查各定位面未发现异常(如图5所示)，清理后调整螺栓、螺母位置，将该处间隙调至标准要求范围内(0.05～0.07 mm)。回装支撑瓦、更换推力瓦总成后检查接触情况符合要求。

图5 检查调整前轴承座拉杆螺栓间隙

造成推力瓦块巴士合金层起皮损坏的主要原因为停机过程中转子轴向力波动过大。

4.2 汽轮机转子、内缸拆检情况

拆检汽轮机大盖发现，转子及导叶均有轻微结盐结垢现象，如图6所示。蒸汽室首级叶轮结垢较轻，如图7所示。同时发现蒸汽室第一级喷嘴入口有断裂螺栓，经判断为调节汽阀阀碟螺栓，如图8所示。拆检内缸检查机体内各处密封梳齿，结果显示情况良好，未见明显损坏及歪斜。对汽轮机转子、轴瓦联轴器进行着色检查，未发现异常。

图6 转子末级叶片轻微结垢

图7 首级叶轮第二级至第七级转子结垢情况

图8 蒸汽室第一级喷嘴入口调节汽阀阀碟断裂螺栓

4.3 速关阀、调速汽阀拆检情况

速关阀在拆检中，其大盖螺栓因高温烧结拆卸困难，套把工具在拆卸中断裂，如图9所示。更换进口套把将大盖螺栓拆卸完毕后，再整体拆卸速关阀，同时检查调节汽阀拉杆。拆卸后发现，两根拉杆有弯曲变形，如图10所示。取出横梁总成后发现，第五号(中间位置处)阀碟和螺栓断裂，见图11。断裂的螺栓在蒸汽冲击下落入第一级喷嘴入口，堵塞进气通道，同时第五号旁路调节失效，致使机组进汽量下降(次阀碟为开度72%以上调节动作)。

图9 速关阀大盖螺栓拆卸困难

图10 横梁拉杆弯曲

图11 调速汽阀横梁总成第五号阀碟断裂

拆检后的第一、四号阀碟密封面均有不同程度的损伤，如图12所示。判断应为五号阀碟连接螺栓断裂后随气流卡入各个阀碟流道、伴随调速汽阀开关与汽阀密封面硬碰硬接触导致的。断裂螺栓的阻挡还影响了第一、四号汽阀调节进汽量。拆检后的横梁拉杆弯曲变形也进一步验证了断裂螺栓阻塞在阀碟与阀座之间的判断。此为该机组运行后期进汽量无法调节的主要因素之一。

图12 第一、四号阀碟磨损及第五号阀碟更换情况

另外，断裂的螺栓随气流在机体内流动，初期尺寸较大，不会卡入阀腔之中，但是随着螺栓与阀体密封面不断摩擦磨损，最终进入第一阀碟阀腔之中，如图8所示。断裂螺栓进入后，导致该汽阀失去调节作用，并且第五号阀碟也卡塞在第四号阀碟之上，最终导致该机组汽轮机进汽量下降至20 t/h，完全偏离机组设计工况。

实际测量阀碟总行程与标准要求相差较大，尤其是第一、二号，初步判断为横梁内阀碟螺栓衬套长期运行磨损造成阀碟的升程增大所致，如图13所示。汽轮机调速汽阀每只阀的开启次序和升程由衬套的长度S决定，h是阀的空行程。该阀的空行程h=2，如图14所示。

图13 实测阀碟总行程

图14 调速汽阀横梁总成第五号阀碟示意

检查横梁总成发现，横梁与拉杆连接处两端有不同深度凹槽，查询图纸后确认是因长期运行磨损产生的。受检修工期限制，横梁总成暂无备件可供更换，因此，在检修更换拉杆和横梁总成时，需确保拉杆固定端进入磨损凹槽，同时保证横梁水平，测量调整拉杆与拉杆接头连接尺寸后在拉杆上钻孔安装定位销，回装调速汽阀拉杆、阀填料密封，并按原定位尺寸回装调速器阀大弹簧。

速关阀油缸在该周期运行中沿阀杆处有渗漏油现象。因该处为高温部位，渗漏润滑油有自燃风险，需及时处理。拆检发现，阀杆处密封胶圈已硬化失弹，故更换新密封圈，以消除渗漏油现象。

4.4 拆检蒸汽室下缸

蒸汽室下缸与外缸通过定位槽安装。汽缸下方有偏心导柱用于调整蒸汽室的横向中心。回装上汽缸上缸体并压铅丝测量气封等间隙后，拆卸上汽缸时容易将下蒸汽室带起，使其定位升高，造成转子盘车困难，因此，检修时需注意蒸汽室下缸是否被上汽缸体带起，与之一并升高。检修时需将定位槽清理干净，避免蒸汽室安装不到位，如图15 所示。

图15 蒸汽室拆卸时可垂直吊出

4.5 离心机拆检情况

离心机支撑瓦为可倾瓦块，拆检支撑瓦未发现异常，见图16；推力瓦块主推侧有轻微划痕，清理打磨后进行渗透检测，未发现裂纹等，见图17。故此次检修未更换离心机轴瓦。

图16 离心机支撑瓦情况良好

图17 离心机推力瓦有轻微磨痕

离心机开盖后置换较为干净，转子及机壳结垢不明显。对轮端轴头密封处转子轴颈有磨损，轴头气封内结焦严重，其他气封位置结焦不明显。用高压水清洗上、下机壳和转子后，检查各级气封，未发现明显损坏，级间气封等情况总体良好，轴端结焦气封梳齿未见明显损坏。此次检修离心机组更换了干气密封。更换前检查、清洗辅助管线，拆检轴端气封返一级入口平衡管，未发现堵塞现象。转子轴颈的磨损由河北某公司进行了激光修复，同时更换了对轮端轴端密封，调整轴封间隙至0.30 mm(标准要求0.25～0.45 mm)。

转子磨损的原因为：离心机在运行中气封槽内介质结焦聚集形成较硬焦块，卡塞至气封内与转子发生切削摩擦，导致转子被磨损，而切削产生的碎屑堆积至气封，又加剧了转子的磨损。

机组更换新干气密封后进行静压试验时发现，对轮端干气密封有轻微泄漏，经盘车后情况有所好转。

4.6 开车情况

机组于2020年7月17日凌晨检修完成并进行静态试验后，于2020年7月17日6：00在汽轮机厂家人员协助下进行油动机与调节汽阀匹配情况的调试，见图18和图19。调整方法为：调整速关控制装置单向节流阀，将二次油压调到0.15 MPa，确定油动机升程为0。调整完毕后开车时，出现因调速汽阀开度与蒸汽量不匹配导致的连锁停机(工艺联锁：调速汽阀开度>30%，转速低于500 r/min联锁停机)现象。分析认为，造成上述现象的原因是，调速汽阀横梁及阀碟衬套磨损间隙超标，使得调节汽阀的实际空行程大于设计值。经计算并再次调整油动机反馈杠杆调节螺钉、消除调速汽阀空行程后，机组开机正常。机组运行过程中，离心机干气密封泄漏量正常。

图18 调试油动机与调节汽阀匹配

调整计算过程如下：油动机安装时调速汽阀横梁及阀碟完全落入阀座后，测量油动机油缸指示位置，并换算杠杆升降比例为330/120=2.75。实际操作中，第一号汽阀动作时，横梁需提升6.7 mm，为避免阀碟热膨胀造成拉杆受压弯曲，需留(2.0±0.5)mm空行程。因厂家调试人员预留空行程为1.8 mm,故开机第一号阀碟动作时，横梁仍需提升6.7-1.8=4.9 mm，根据杠杆升降比例，横梁提升4.9 mm，油缸活塞杆需下降4.9×2.75=13.5 mm。将二次油压调整至0.15 MPa试验状态时，调整油动机调节螺钉(见图19中编号10)，使油缸活塞杆下降13 mm左右后，机组进气量与调速汽阀开度匹配，机组开机正常。

1—拉杆；2—调节螺栓；3—反馈板；4—活塞杆；5—油缸(缸盖)；6—活塞；7—连接体；8—错油门(错油门壳体)；9—反馈杠杆；10—调节螺钉；11—调节螺母；12—弯角杠杆；13—杆端关节轴承

机组检修后振动情况如图20所示。

图20 机组开机正常后轴系参数

5 结语

富气压缩机作为延迟焦化装置的心脏设备，其运行状况的好坏决定着装置运行周期的长短，因此对大机组的运行状况，不仅应关注其运行参数是否正常，还要对其驱动机以及驱动介质的状态、质量进行检测。

本文所述的汽轮机调速汽阀故障为第五号阀碟螺栓断裂。该阀在调速汽阀开度72%以上时开始动作。各种迹象表明，第五号阀碟应该是在开车阶段断裂的，但是并没有卡塞进入蒸汽流道之中，伴随着调速汽阀开关活动导致的气流变化，断裂阀碟进入流道中，影响了机组进汽量，甚至影响到调速汽阀横梁动作。这一点可由拆检过程中调速汽阀拉杆的严重变形证实。由上述分析可知，阀碟螺栓断裂是导致汽轮机做功能力下降的直接原因，而机组连续运行7年未对过流承压部件进行更换是间接原因。本次故障发生后，与杭汽技术人员进行沟通，了解到由于该类部件长时间经受中压蒸汽冲刷，极易产生金属疲劳，进而导致调速汽阀部件断裂甚至损伤汽轮机叶轮等部件，造成严重的事故。虽然该类故障在国内同领域之中尚未发生过，但是该公司技术人员建议，对于汽轮机调速汽阀过流承压部件，每两个周期必须进行更换或者进行100%渗透检测。

而油动机作为控制、调节调速汽阀的重要装置，也应随机组一起检修。由于油动机是通过杠杠原理调节汽阀开度，因此油动机拉杆以及填料在检修过程中也必须更换，以保证拉杆与填料间隙合适、并且既不影响拉杆上下活动又能保证蒸汽不大量外漏。

另一方面，由于蒸汽质量的波动导致汽轮机叶片出现结盐现象，而结盐是一种不可逆反应，一旦发生只会越来越严重并最终导致停车，这也会对汽轮机做功能力产生影响。

因此，此次检修后，运行部对蒸汽品质加强了关注，将机体排凝的凝结水不定期送检；对高压氮气系统以及干气密封系统的过滤器工作情况也加强了关注，以保证干气密封系统的正常工作。同时，不定期对大油箱底放空油质进行检查，确保润滑油质量符合要求。这一系列举措都进一步保证了大机组的长周期平稳运行，而且也大大降低了因异常故障导致停机而产生的异常过高能耗。