二氧化碳压缩机汽轮机振动异常分析及故障探讨

作者

赖财满，侯中文，裴超。

第一作者简介

赖财满，男，1982年出生，本科学历，工程师，2006年毕业于北京化工大学机械工程及自动化专业，现在海洋石油富岛有限公司从事设备管理工作。

摘要

介绍了氨汽提工艺尿素装置二氧化碳压缩机汽轮机振动异常的发展过程，采用在线监测系统准确判断出是由于叶片断裂造成振动异常，并通过检修得到了验证。分析指出，叶片断裂的原因是金属材料腐蚀与疲劳损坏所致，为汽轮机的安全稳定运行提出了可借鉴意见。

关键词

汽轮机　振动异常　在线监测系统　叶片断裂

1概述

海洋石油富岛有限公司氨汽提工艺尿素装置于1996年建成投产，其中二氧化碳压缩机组由意大利新比隆公司设计制造，主要性能参数如表1所示。

汽轮机型号为ENK40／45，属于单缸（带内缸）、抽汽、注汽、冷凝式，由2列冲动级和9级反动级组成。中压蒸汽（4.9MPa、380℃）经高压调节阀和喷嘴在第1列调节级膨胀做功后分成两部分，一部分根据装置蒸汽管网系统平衡需要向外提供2.45MPa、320℃的抽出蒸汽；另一部分经中压调节阀和喷嘴进入汽轮机第2列调节级膨胀做功，再经6列反动级膨胀做功，做功后的蒸汽与注汽混合，最后通过3列反动级膨胀做功后的乏汽排入凝汽器。注汽来源于后工艺系统副产的低压蒸汽（0.4MPa、143℃）和合成低压蒸汽（0.44MPa、240℃）两种。汽轮机两侧径向轴承采用可倾瓦轴承，止推轴承为金斯伯雷轴承。

整套装置按照计划应于2016年3月1日停车大修。但在2016年2月22日10:22:11，二氧化碳压缩机汽轮机进、排汽两侧径向轴承振动值VI41003A／B和VI41004A／B异常上涨，10s后VI41003A／B稳定慢速上涨，VI41004A／B值缓慢回落。4min后振动值均趋于稳定。各测点振动值变化如表2和图1所示。

2故障排查

本次故障发生时距离系统停车大修只剩一周，大修物资、检修人员等尚未完全到位，装置提前停车检修势必会影响整个大修计划的顺利推进。结合机组当前的运行状况，汽轮机振动值经过短时间的异常上涨后已趋于平稳，尽快找出引起异常振动的故障原因，保持现有状态安全平稳运行至计划停车，并提出下一步运行意见显得尤为重要，为此从以下方面排查，为该机组能否安全平稳运行提供依据。

2.1工艺排查

振动上涨前、后机组运行工艺参数对比如表3所示。

从表3可以看出，压缩机各段间温度和压力稳定，均无明显变化；蒸汽压力、温度稳定，流量小幅度变化；润滑油供油系统正常，压力稳定。操作人员未对系统负荷和机组转速做任何调整，故障前的9:30—9:52，汽轮机退注汽，注汽流量由16.968t／h下降至15.148t／h，流量降低1.820t／h，流量小幅降低不应造成振动异常上涨，可以排除工艺操作的原因。

2.2机械排查

对机组的在线运行状态监测频谱图进行分析，汽轮机轴承温度、轴位移等没有较大变化；高、低压缸、齿轮箱振动、轴位移、轴温稳定。突变主要表现为汽轮机两端径向轴承振动VI41003／4突发上涨，振动频率主要为1倍频，相位出现同步的突变。1倍频振动VI41003A：相位角由305°变化为241°，振动值由25μm上涨至50μm；VI41003B：相位角由213°变化为148°，振动值由22μm上涨至46μm。从极坐标来看，转子重心的变化方向一致，可以判断转子发生了动不平衡，引起了振动异常。

引起转子不平衡的原因初步判断为汽轮机转子动叶片、拉筋发生断裂、脱落。脱落的瞬间伴随着转子振动异常突增。从故障的发展过程来看，动叶片、拉筋脱落后瞬间被蒸汽流带离转子的旋转区域，避免了脱落部件对高速转动的转子组件造成进一步损坏，由此判断转子部件脱落应该发生在蒸汽流通面积较大的后3列反动级动叶片上。振动突变后汽轮机和压缩机振动和相位都较稳定，汽轮机的轴心也未见大幅偏移，因此建议机组继续运行，同时启动特护监控和紧急停车抢修预案，加强对振动和其他运行参数监控，保持机组运行工况稳定，以防意外情况发生。最终机组坚持运行至2016年3月1日系统停车，大修期间对汽轮机进行解体大修。

3检修结果

汽轮机检修故障如图2所示。

汽轮机解体检查发现，转子组件第9级动叶片从距离根部10mm处断裂、脱落，叶片相应拉筋断裂脱出一段长约200mm，其相邻叶片上有轻微摩擦损伤，故障结果与前期分析结论一致。另第11级部分叶片进汽侧有硬物撞击产生的贯穿性缺口，第8与第9、第10与第11级级间汽封片有破损断缺。

4动叶片断裂的原因分析

4.1转子的设计寿命和实际使用时间

汽轮机转子设计寿命时间为200000h。本汽轮机自1996年10月投入运行至2016年2月22日已运行162576h。在设计工况下运行时，高温引起的蠕变损伤和机组启停时增减负荷引起的叶片疲劳损伤是影响转子使用寿命的主要因素。根据厂商的设计资料，转子的预期工作寿命可根据运行小时数和启动次数进行评估，转子预期工作寿命计算公式如下：

h=n_cold×400+n_warm×57+n_hot×3+h₁

式中：h—转子预期工作时间，h；

h₁—实际运行小时数，h；

n_cold—冷态启动次数；

n_warm—温态启动次数；

n_hot—热态启动次数。

该转子使用年限为1996年10月—2004年12月及2012年3月—2016年3月，累计运行时间97400h（年运行时间8000h／a）。据统计该转子运行期间停车次数共计122次，其中冷态开车8次、温态开车103次、热态开车11次，按上述公式计算得转子预期工作时间为106540h，小于200000h。通过计算结果可以看出，转子远未达到设计寿命。

4.2工艺介质对转子叶片的腐蚀

该汽轮机9列反动级叶片材质均为X20Cr13（德标），相当于马氏体不锈钢20Cr13。在过热蒸汽中，其表面会生成一层致密、稳定的钝化型金属表面氧化保护膜，因此具有良好的耐腐蚀性。但该汽轮机属于抽汽、注汽、凝汽式，排汽压力0.012MPa，排汽温度60℃，排汽量37900kg／h。过热主蒸汽经过2列调节级、6列反动级膨胀做功，再加上蒸汽扩容后温度、压力降低，当蒸汽到达低压侧时逐渐变成饱和蒸汽甚至是湿蒸汽，会产生大量微小液滴／液雾。高速蒸汽流夹带液滴／液雾对转子低压侧叶片及围带造成冲刷腐蚀。

该汽轮机在第6列反动级后有额定值21~22t／h的蒸汽注汽，注汽温度150℃、压力0.37MPa。其中一部分注汽来自于后工艺系统高压甲铵冷凝器副产的低压蒸汽。该冷凝器在2012年3月—2016年3月期间先后发生泄漏故障8次并存在监控运行的情况。在此期间泄漏的甲铵随副产的低压蒸汽注入汽轮机低压侧，叶片表面的钝化性金属表面氧化膜受到甲铵侵蚀，加剧了转子末3列反动级叶片及围带的腐蚀。

4.3转速波动对叶片强度的影响

2012年11月—2014年12月期间，该机组持续存在转速波动现象，最大波动范围有80r／min，后经排查为高压阀执行机构关节轴承磨损导致。2015年1月该机组大修过程中对控制系统进行升级改造时，在开车期间控制系统调试过程中，于1月12日20:00—13日02:00机组转速在6720~6950r／min、6439~7359r／min之间均存在波动，转速的最大波动范围达920r／min；2015年1月16日17:30—1月17日05:00机组转速在8000~8200r／min也存在持续波动。

蒸汽作为动力源，汽轮机的转速与进入缸体的蒸汽量成正比。汽轮机发生转速波动的一个重要原因就是蒸汽量波动。汽轮机工作时，转子受到叶轮传来的作用在各级动叶片上的蒸汽作用力形成的扭矩而转动。蒸汽量长期或大幅波动对叶片产生不稳定的交变应力^[1]，会造成叶片提前进入疲劳损坏期。

综合上述几点分析，结合叶片材质、工艺介质偏离、转速波动等影响因素，叶片、围带断裂，属于金属材料腐蚀与疲劳损坏共同影响所致。

5解决措施和效果

1）转子第9~11级动叶进行全面检测和材质分析鉴定，考虑到末三级叶片工作环境比较恶劣，部分叶片进气侧有硬物撞击形成的缺口性损伤，在高频振动交变应力的影响下，会导致叶片产生裂纹并延展，进而导致叶片断裂。对第9级、11级叶片进行仿形测绘加工，更换第9级整级叶片和第11级损伤的叶片，材质由X20Cr13更换为20Cr13。

2）拆除所有已折断缺损的级间汽封片，重新测绘、加工、镶嵌。

3）转子修复完成后，依照最大连续工作转速，进行G1级精度高速动平衡校验。

4）对后系统副产的低压蒸汽品质进行监测，使用在线电导分析仪实时监测蒸汽电导率，一旦发现电导率异常，将注汽蒸汽退出。

5）修复转子于2020年7月投入使用运行至今，运行状况稳定，转子叶片国产化制造和修复效果得以验证。

6结束语

引起汽轮机振动异常的原因有很多，应合理分析准确地判断故障原因并提出相适应的应对措施，在保证机组安全稳定运行的同时避免盲目停机造成停产损失。在设备使用过程中，定期检测蒸汽中微量元素和工艺介质含量，保证进入汽轮机的蒸汽品质；操作中稳定机组转速和负载，可以有效地降低转子零部件的周期疲劳损耗，延长转子的使用寿命。

参考文献

[1]　吴季兰. 汽轮机设备及系统[M]. 北京：中国电力出版社，2018：405-408.

本篇文章发表于《大氮肥》2024年第一期。