甲醇合成气压缩机汽轮机转子叶片断裂分析及处理措施.pdf

书书书故 障 分 析 年 期（总第 期）甲醇合成气压缩机汽轮机转子叶片断裂分析及处理措施刘健童，张智敏，李旭升，马小奇，边辉（甘肃华亭煤电股份有限公司煤制甲醇分公司，甘肃 华亭 ）摘要：汽轮机作为化工生产流程中的主要驱动机，对其介质品质的指标要求非常关键，尤其是介质对通流部位和转动部位的腐蚀监测是汽轮机大修过程中必检项之一，大修范围中应采取科技手段进行检验检测，进一步规避叶片断裂事故风险。同时建立在线监测系统，实时进行运行数据比对分析，保障机组的安全平稳运转。为化工行业关键设备的安、稳、长、满、优运行提供案例借鉴。关键词：压缩机；叶片断裂；腐蚀疲劳；高频激振中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，（，）：，：；机组概况甲醇装置合成气压缩机驱动用汽轮机为常压进汽凝汽式汽轮机。汽轮机设计正常 额定功率：，正常 额定进汽量：，正常 额定转速：，转速变化范围 ，汽轮机设计进汽参数 （）（变化范围 ）、进汽温度 （变化范围 ），正常点排汽压力 （）。该机组 年 月投用，累计运行时长 余小时。停机经过运行中合成气压缩机组汽轮机振动 故 障 分 析 年 期（总第 期）瞬时达到 （跳车值 ），导致合成气压缩机组跳车。经查阅 趋势，合成气压缩机汽轮机振动 、均出现上涨趋势，经现场检查，机组各振动测点接线正常，机械外部无异常，轴系盘车正常；工艺专业检查蒸汽及操作参数等指标均正常。初步怀疑为流道内汽封部分脱落造成，继续尝试冲转两次，均因 ，测点高高联锁跳车，试冲转失败。随后通过远程监测及故障诊断中心，对合成气压缩机汽轮机跳车情况进行远程诊断，初步诊断为汽轮机叶片存在断裂情况。结合报告及试冲转情况，对合成气汽轮机进行揭缸检查。拆检情况汽轮机揭缸拆卸转子吊出时，经目视检查，发现第 级动叶环（第级低压扭叶）两叶片间隔断裂。叶片断裂面距离叶根台阶约 ，断裂起始位置位于出汽侧（该机组叶片材料为 ，叶片结构为拉筋成组叶片，拉筋材料 ，叶根形式为倒 型），两支断裂叶片残片位于后级静叶片中，同级叶片拉筋亦断裂，断裂叶片处拉筋有磨损变细情况，现场测得磨损严重处直径从 减至 。叶片断裂造成同级及次级部分叶片损伤。现场进一步检查发现，整个转子除进汽动叶片外，其他动叶片和静叶片均有不同程度锈蚀或点蚀现象，其中在低压级前后几级最为严重（即倒数、级），其余前面动叶片腐蚀现象比倒数 、级严重，末级基本无腐蚀，各级动叶片及静叶片表面均有白色锈垢，第 、级动叶片及相应静叶片表面结垢最为严重。数据比对合成气机组停运后，重点从工艺运行、设备检修、蒸汽品质、检测评价等方面进行了全面自查。（）工艺运行方面合成气压缩机组从 年 月运行至今，累计运行时长 。合成气压缩机正常运行期间，测点 点在 波动，点在 波动，无扩大趋势；测点 点在 波动，点在 波动，无扩大趋势（测点为合成气汽轮机驱动段轴振动监测点，工艺指标报警值为 ，一选一 级设备安全联锁跳车联锁值为 ；为合成气汽轮机非驱动段轴振动监测点，工艺指标报警值为 ，一选一 级设备安全联锁跳车联锁值为 ）。合成气压缩机的驱动蒸汽压力和温度稳定，无大幅度连续波动情况。正常运行期间的驱动蒸汽的压力在 之间（工艺指标为 ），温度在 之间（工艺指标为 ）。通过大型旋转机组在线状态监测系统，对合成气压缩机组（包含汽轮机）运行状态进行在线监测。运行期间波形接近标准的正弦波，在波谷有尖角，监测数据 ，通频值 ，监测数据 ，通频值 ，与前月数据相比基本无变化。频谱图显示有尖角。运行状态较前月无明显变化，汽轮机非联轴端频谱图中，连续出现 个尖角，且最高幅值达到 ，轴心轨迹有明显尖角，判断为“电跳”扰动现象，在中控 趋势中未发现该扰动信号，说明扰动信号被 过滤处理，转子旋转状态稳定，未检测到异常情况。（）汽水质量检测方面汽水指标执行 火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量标准，具体为表：锅炉汽水分析数据统计表，蒸汽品质管控情况如下：（）锅炉给水溶解氧合格率 ，因合成脱表 名称检测项目标准值备注给水 （）无铜给水系统全挥发处理溶解氧 联胺 全挥发处理氢电导（）铁 铜 炉水 （）磷酸根 电导率 蒸汽二氧化硅 钠 氢电导率（）铁 铜 注：炉水全挥发处理；给水加挥发性碱，炉水不加固体碱化剂的处理。故 障 分 析 年 期（总第 期）盐水换热器停运，脱盐水温度低导致给水溶解氧超标，溶解氧指标最大 ，最小 。（）锅炉蒸汽品质分析项目分别为：电导 、钠离子 和二氧化硅 共 项。台锅炉蒸汽钠离子 与二氧化硅 的统计合格率全部为 。（）依据 火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量和 锅炉水（介）质处理检验规程规定及要求，委托第三方对 台锅炉水汽及水处理运行系统进行了全面检验，检验项目共计 项，检验结论为基本合格。期间更换水处理系统阴阳离子树脂及补充混床交换树脂共计 ，解决了给水部分指标超标问题，恢复了给水水质。（）锅炉水汽质量管理方面每月定期统计水质数据，编制工艺技术月报，对汽水品质进行统计分析，对异常工况及水质变化情况，及时进行加药及排污调整，确保锅炉水（介）质可控、在控。（）机组检修检测方面合成气压缩机组汽轮机从 年运行以来，依据 小型工业汽轮机维护检修规程第 条和分别进行了 次大修，次大修均对转子部件进行了全面渗透检查。最近一次大修对转子进行了整体喷砂除锈、渗透检测和动平衡检测，各类检测结果均为合格。检测未发现明显异常缺陷，但汽轮机流通部分存在轻微点蚀情况，回装时各项安装参数均按照出厂要求核对，符合要求。原因分析查阅相关文献和类似叶片断裂案例，并结合第三方分析报告及数据比对情况，造成叶片损坏的原因是多方面的，通常由以下因素引起：（）结构方面：从叶片结构方面分析，有叶片设计存在不合理因素，汽动性能不合理，叶片材料选用不当、制造加工及安装过程质量问题等。该转子断裂所在级扭叶片每 支叶片为一组，总共 组，拉筋直径为 ，拉筋在成组叶片中间部位采用银焊固定，外部未设置保护套（其后 级拉筋为 ，级拉筋还设置了保护套管）。经咨询厂家，其设计理念是防止转子膨胀导致拉筋断裂。针对分析报告指出的拉筋产生腐蚀变细的情况，结合检修返厂后的旧件测量情况与前期拆检情况看，拉筋整体几乎无腐蚀情况，除断裂叶片所在区域部分有明显磨损痕迹，造成直径缩小至 外，其他部位拉筋整体在 ，因此可以初步排除由于腐蚀造成的拉筋、叶片断裂的可能性。但正如前面提到的，通过对比断裂部位与其他部位拉筋情况，断裂叶片所在区域部分有明显磨损变细情况，因此不排除在长期运转中，由于转子叶片存在固有高频振动，振动导致拉筋在拉筋穿插扭叶片接触点产生磨蚀及疲劳，进而在长期磨损及疲劳状态下产生断裂，拉筋断裂后，扭叶片平衡失效，在气流激荡作用下造成叶片瞬间断裂。制造方面，尺寸超差，如叶片最大厚度不符合要求，引起叶片强度下降等原因，经拆检期间现场初步检查，未发现叶片有松动现象。通过咨询汽轮机制造单位获悉，该叶片系列图纸在西门子、意大利新比隆、中国工厂应用在几千台的不同参数、功率、转速的汽轮机上，该次相应级叶片的断裂尚属首次。（）材料方面：叶片材料缺陷造成叶片损坏的，有材质不良、选材不好、热处理不当等。本次事故后，委托杭汽对返厂断裂叶片进行了金相检查，未发现材质问题。（）检修方面：检修方面引起的叶片故障，更换叶片未按规程进行，该机组未进行叶片更换，该原因可以排除。该机组在 年 月进行了大修，大修各项标准参考 小型工业汽轮机维护检修规程及厂家说明书，大修期间经过目视、渗透检测、高速动平衡等检测，发现除转子各部位有轻微点蚀痕迹外，未有明显缺陷。（）运行方面：如水蚀、水击、蒸汽参数低、湿度大、长期高周波、低负荷运行、频繁启停、汽水品质不好等。经查阅定期水质报告，除个别时间溶解氧、值不达标外，其余均未发现问题。但检查叶片，从汽轮机叶片运行在干蒸汽、过度区、湿蒸汽区基本都存在轻微点蚀现象，不能排除蒸汽中有时存在可蚀性气体导致叶片腐蚀现象，如溶解氧的存在导致不均匀的全面腐蚀、危害性阴离子（主要如 ）等导致叶片产生点蚀现象。结论综合以上数据排查和原因分析情况，造成本次汽轮机叶片断裂损坏的可能原因为高频振动造成疲（下转第 页）设 计 研 究 年 期（总第 期）图 一组槽道出口面压力随时间变化曲线图 一组槽道内润滑水体积流量随时间变化曲线表 一组槽道出口面尺寸和润滑水体积流量槽道编号出口面尺寸 润滑水体积流量（）轮上的槽道入口和静止的弧形条状供液口之间的合理配合实现时间上的精准润滑。设计的核心是供液口的大小与各槽道出口在啮合时的星轮转角范围对应开设，从而避免对不处于啮合范围内的星轮齿进行多余的喷液。对一台质量流量为 的水润滑水蒸气单螺杆压缩机的设计计算表明，使用本文提出的润滑构造时，相对喷水量可以从经验的 降至 。基于设计计算结果，用 软件 对槽道内部流体的温度场、压力场、流场、体积流量等进行了模拟，描述了槽道内润滑水的流动和传热过程特点，验证了本文提出的单螺杆压缩机星轮 螺杆啮合副润滑构造及设计方法的合理性。本文的研究实现了在降低喷液量的条件下，保证星轮 螺杆啮合副的润滑，有助于单螺杆压缩机往高转速、水蒸气压缩机领域发展。参考文献：章根国单螺杆压缩机发展现状及优越性分析 压缩机技术，（）：，（）：吴伟烽，冯全科，黄锐，等 单螺杆压缩机星轮齿理论型面的研究 压缩机技术，（）：冯全科，谢佳，张文珊 单螺杆压缩机多舛命运转折与喷液悬浮啮合技术 压缩机技术，（）：束鹏程，邢子文，曹锋 回转压缩机 西安：西安交通大学出版社，：作者简介：雷雯雯（），女，湖北恩施人，在读硕士研究生，现就读于西安交通大学能源与动力工程学院。：（上接第 页）劳断裂，而高频振动产生的原因则是起调频作用的拉筋由于磨损先断裂，造成叶片在气流作用下产生高频激振损坏。结合拆检测量情况，发现断裂叶片所在区域拉筋存在明显磨损减细现象，也能证实以上分析。改进措施（）本次检测过程中发现介质存在腐蚀性，应将机汽轮机转子动叶片、导叶持环静叶片列入备件采购计划，根据备件准备情况，择机完成腐蚀叶片的更换。（）持续加强锅炉给水及蒸汽品质管理工作。持续按照分析频次实施脱盐水水质分析工作，及时更换水处理系统离子交换树脂及膜系统，确保给水水质达标。加强锅炉加药及排污管理，完善相关技术监督管理细则，对溶解氧、等汽水质量关键指标定期外送第三方检测分析，确保水汽质量合格，防止和减缓热力设备腐蚀、结垢、积盐。（）进一步完善机组检维修管理。积极利用在线监测系统，全面开展状态监测下的定检定修制，建立大型机组转子（包括关键机泵等动设备）的全寿命周期管控预警机制，重点加强金属技术监督、检维修自主化等工作，促使大型机组检维修管理更加标准化、精细化。参考文献：华东电业管理局 汽轮机运行技术问答 北京：中国电力出版社，杭州汽轮机股份有限公司 西门子工业汽轮机 设计准则 小型工业汽轮机维护检修规程 北京：化学工业出版社，作者简介：刘健童（），年毕业于西安电子科技大学，现就职于中国华能华亭甲醇分公司，现任机电动力科科长，主要从事煤化工机电仪设备管理。：