离心压缩机的可靠性安全风险评估.pdf

某轻烃回收装置轻烃回收压缩机（C1301），原系重油催化装置富气压缩机组，该压缩机组于 1978年投用，为原西德德马克公司制造的 KA11-V 型压缩机组，配用西门子公司生产的 NK25 28-10-3 凝汽式蒸汽轮机。该机组于 1997 年停用，2005 年 4 月改为轻烃回收装置压缩机重新投用，鉴于其停运后重新投用存在一定的运行风险，需要对压缩机组做一个全面的综合评价，必要予以改造以确保其安全运行。1安全风险识别1.1失效模式影响及危险程度分析失效模式影响及危险程度分析（FMECA，Failuremodeeffectandcriticalityanalysis）是指通过分析可以有效地识别所有可能的失效原因、后果以及失效的风险，并且可以针对高风险的失效采取减少事件发生的概率以及减轻其后果严重程度的措施，进而达到降低设备运行风险的目的。FMECA按照 IEC60812失效模式和影响分析（FEMA 和 FMECA）标准 执行。分析主要发现：1）压缩机及蒸汽汽轮机没有轴承瓦温测量、显示、记录、高报警回路，仅有轴承回油温度测量。由于轴承回油温度在轴承早期失效阶段几乎看不出温升，而当轴承回油温度出现明显温升时通常轴承已经可能损坏比较严重。为了在轴承的早期失效阶段及时地发现问题，防止其后果进一步扩大，建议增设压缩机及汽轮机轴承瓦温测量、显示、记录、高报警。离心压缩机的可靠性安全风险评估何文丰（中国石化镇海炼化分公司，浙江宁波 315207）摘要：通过失效模式影响及危险程度分析、危险与可操作性分析、安全完整性等级、有限元应力计算及无损检测检验，对长期停用再投用的离心压缩机进行全面评估，确保了机组运行的可靠性，对老旧装置、超期服役设备的安全风险评估有一定的借鉴意义。关键词：离心压缩机风险评估安全超期服役可靠性收稿日期：2023-02-27；收到修改稿日期：2023-05-16。作者简介：何文丰，男，1976 年 7 月出生，本科学历，高级工程师，1999 年毕业于抚顺石油学院化工设备与机械专业，现任中国石化镇海炼化分公司项目管理部设备和国产化部副经理，长期从事炼油化工设备技术管理工作。联系电话：[phone]；E-mail：。考虑到这一技术需要改造周期，择机在大检修期间执行。2）汽轮机有一个机械式轴位移高高 低低跳闸装置，相当于 2 个轴位移开关，轴位移达到设定值时就机械跳闸，没有轴位移测量、显示、高 低报警及高高 低低跳闸仪表回路。汽轮机运行时没有轴位移指示，不利于提供其早期发展趋势预警。该机械式轴位移装置是汽轮机唯一的轴位移高高 低低跳闸保护装置，保证其可靠性就非常重要，而危机遮断器的重新拆装可能会导致其鸭舌与轴颈之间的间隙发生变化，因此在维修和试运规程中增加如下内容：只要拆装过危急遮断器（包括拆卸、安装危急遮断器的轴承箱上盖），就必须打开端盖重新测量危急遮断器的鸭舌与轴表面之间的间隙 A，确保其在0.81.0mm 范围内。实际检修中按要求对间隙数据进行了检查符合要求。检修期间按照 FMECA 对压缩机及汽轮机转子进行了渗透等无损检测，对压缩机 汽轮机缸体进行宏观腐蚀检查及测厚，压缩机气缸还进行了水压试验，其他也按建议进行了检查。部分 FMECA 分析建议见表 1。2082023 年第 46 卷1.2危险与可操作性分析危险与可操作性分析（HAZOP，HazardandOperabilityAnalysis）于 20 世纪 60 年代起源于英国帝国化学工业公司（ICI），是一种以系统工程为基础、针对化工装置而开发的定性的危险性分析方法。HAZOP 用来识别和估计工艺过程安全方面的危险以及操作性问题，确切说是对生产工艺系统危险性与可操作性进行严格检查的一种风险分析方法。根据国际通用HAZOP分析方法，针对轻烃回收压缩机的工艺管道及仪表流程图（PID）开展节点到节点分析，见表 2。表 1部分 FMECA 分析建议建议编号建议内容F-R1 A每次大检修期间对联锁及重要控制回路的传感器进行清扫和/或单独校验F-R1 B每次大检修结束后开工前进行联锁回路的全面校验F-R1 C每次大检修结束后开工前对重要控制回路进行校验F-R2 A每次大修时对叠片连轴器全面检查，如果有问题则更换F-R2 B每次大检修时（间隔 34a）更换干气密封，拆下来的原件送修后作为备件F-R2 C润滑油每月采样分析 1 次F-R2 D在下次大修结束前增设压缩机轴承瓦温测量、显示、记录、高报警回路F-R2 E在本次大修期间压缩机转子做渗透探伤F-R2 F在本次大修期间对压缩机转子用有限元应力计算法进行强度校核F-R3 A本次大修期间对压缩机根据实际气体组成进行工况校核计算，目的是确定在变工况运行状态（实际气体与原设计气体成分不同）该压缩机所能实现的最高压头以及需要的最大轴功率F-R3 B本次大检修期间复核计算压缩机变工况运行后汽轮机的做功能力是否足够F-R4 A本次大检修期间压缩机气缸做水压试验F-R4 B本次大检修期间压缩机气缸做宏观腐蚀检查以及局部测厚F-R4 C本次大检修期间压缩机气缸用有限元应力计算法进行强度校核F-R4 D本次大检修期间压缩机气缸外表面局部进行渗透探伤F-R5 A日常巡检维护F-R6 A在日常运行过程中，应用在线振动状态监测系统分析振动特征以判定其失效原因，并采取相应的对策F-R7 A在大修期间增设汽轮机轴承瓦温测量、显示、记录、高报警F-R7 B本次大修期间对汽轮机转子做渗透探伤F-R7 C本次大检修期间对汽轮机转子用有限元应力计算法进行强度校核F-R7 D在维修和试运规程中增加如下内容：只要拆装过危急遮断器（包括拆卸安装危急遮断器的轴承箱上盖），就必须打开端盖重新测量危急遮断器的鸭舌与轴表面之间的间隙 A，以确保其在 0.81.0mm 范围内F-R8 A每次停工大修时检查调节汽阀导向杆及导向套的磨损情况，如果必要则更换F-R8 B日常巡检维护时应注意观察调节汽阀阀杆处的蒸汽泄漏情况以及调节动作是否稳定F-R8 C每次大修期间使用专用的仪器对 Woodward505 电子调速器进行一次全面的功能测试（包括正常调节和超速跳闸输出）F-R9 A本次大检修期间对汽轮机汽缸做宏观腐蚀检查及测厚F-R9 B本次大检修期间对汽轮机汽缸高应力区外表面局部进行渗透探伤F-R9 C本次大检修期间对汽轮机汽缸用有限元应力计算法进行强度校核F-R10 A本次停机大修时拆洗液压调速系统的启动控制部件，包括启动器、错油门和油动机组合部件、电液伺服阀的液压部分，并在再次开机前先对调速系统进行静态调试，然后再对汽轮机进行单机试运（试验并整定超速跳闸速度）；可以根据本次拆洗时部件内污垢的程度确定以后拆洗间隔F-R12 A每次大检修期间清洗段间冷却器管束表 2部分 HAZOP 分析建议编号可能的原因可能的结果建议H-R1如果压力放空阀 HS4601 失效打开二段出口瓦斯分液罐 V1301 压力偏低，严重时可能导致压缩机喘振PID 图上未标注该阀门是故障关（FC）、故障开（FO）或故障保持（FL），查证阀门选型H-R2如果一级入口闸阀 HS4602 失效关闭去压缩机入口的气路被关断，导致压缩机喘振PID 图上未标注该阀门是 FC、FO 或 FL，查证阀门选型H-R3湿硫化氢应力腐蚀开裂高毒性且易燃的气体外泄，可能导致火灾爆炸或人员伤亡考虑抽查 10%工艺气体管线焊缝及其热影响区的硬度，如果超过允许值则说明其焊接残余应力较高，需要处理；如果抽查后发现存在硬度超标的现象，则需要进行普查H-R4如果一回一防喘振阀 XOV4601 失效打不开压缩机一段流量偏低，严重时可能发生喘振PID 图上未标注该阀门是 FC、FO 或 FL，查证阀门选型209第 3 期何文丰.离心压缩机的可靠性安全风险评估根据现场实际选型对阀门选型进行了确认，其中 HS4601 HS4602 XOV4602 为 FC 型，XOV4601为 FO 型，另外在机组停工期间发现带液要排净操作。在日常操作、首次开机后并入系统前对凝结水进行采用分析，确保水质合格，同时确认换热器正常。1.3安全完整性等级安全完整性等级（SIL，Safetyintegritylevel）是指可以通过分析确定该机组安全联锁系统需要的SIL 等级以及当前系统所达到的 SIL 等级，如果当前系统 SIL 等级达不到标准的要求，则会提出改进措施以保证其可靠性。SIL 分析按照 IEC61508（GB T20438电气 电子 可编程电子安全系统的功能安全）及 IEC61511（GB T21109过程工业领域安全仪表系统的功能安全）标准执行。增设瓦斯分液罐液位高高联锁，即当瓦斯分液罐液位高高时，停轻烃回收压缩机以确保安全；如设置为报警，则建议液位高高到满罐时间大于 15min，以确保操作工有足够的反应时间。瓦斯分液罐设有液位高报警联锁启动凝液泵，凝液泵用于排液，从而避免瓦斯分液罐满罐操作导致机组运行风险。2有限元应力计算离心压缩机有限元应力计算（SC-FEM，Stresscalculationwithfiniteelementmethod）的目的是校核其应力水平是否符合材料的要求以及确定气 汽缸外部渗透探伤的区域，对应力分析薄弱点检测，从而进一步确认是否存在不足。使用有限元计算时，前处理（几何模型及网格划分）是一切工作的前提，其建立模型的好坏直接影响到后面计算结果的准确性。因此，在建立叶轮实体模型时，应根据图纸以及现场测绘图，并作适当简化。划分网格时，在叶片进、出口圆角及其他圆角和倒角处进行网格细化，以期能最大程度的反映应力分布和应力集中的真实状况。2.1压缩机气缸有限元应力计算及强度校核该压缩机气缸为铸件，单缸 5 级 1 次中间冷却2 段式结构。工艺气体通过下缸进气口进入进气室，依次通过第 1、2、3 级叶轮压缩后，从第 3 级叶轮扩压器排出冷却，组成第 1 段压缩；经冷却后的工艺气体通过进气口进入第 4 级叶轮，经扩压回流进入第 5级叶轮，完成压缩后从排气缸排出，完成整个压缩过程。压缩机结构示意见图 1。图 1压缩机结构示意2.1.1几何模型及有限元模型的建立划分网格时，在圆角和倒角处进行网格细化，以期最大程度的反映应力分布和应力集中真实状况。计算单元全部采用空间四面体单元，共 60110 个单元，95105 个节点。气缸实体模型和网格模型见图2。图 2气缸实体模型及有限元网格模型2.1.2边界条件及载荷边界条件根据气缸实际情况，即在下缸体有 2续表 2部分 HAZOP 分析建议编号可能的原因可能的结果建议H-R5压缩机一段和二段气缸低点排凝口被盲板盲住，可能导致含高浓度硫化氢的污水沉积该盲管段及气缸排凝口附近发生严重的腐蚀，也有可能在排凝短管的焊缝处发生应力腐蚀开裂把一段和二段气缸低点排凝口接管线（各 2 道手阀）连到火炬系统，且在操作规程中规定停机后氮气吹扫时以及运行期间发生入口带液现象后，均需要打开该线路上的手阀排凝 1次H-R7如果压缩机二段出口放火炬阀XCS4601 失效打开导致压缩机实际输气量下降，不能满足后续工艺系统的需要PID 图上未标注该阀门是 FC、FO 或 FL，查证阀门选型H-R14如果冷凝器换热管内漏循环水泄漏至蒸汽凝结水中，导致返回至锅炉的除盐水被污染在操作规程中增加定期对复水泵出口凝结水进行采样分析内容2102023 年第 46 卷个横向销，此为压缩机气缸膨胀死点，在该处压缩机气缸沿轴向、横向的膨胀量为零，即在该处施加轴向、横向的零位移约束。在支承台板的接触面处施加法向零位移约束。气缸应力计算载荷为气缸承受的内外压力差，通过对气缸壁上施加法向压力差即可。改为轻烃压缩机后的实际出口压力小于原运行压力值，压力差仍根据该压缩机铭牌上的壳体设计压力 2.7MPa 进行计算核算。2.1.3结果分析2.1.3.1应力分析气缸等效 vonMises 应力分布见图 3。最大应力值为 86.5MPa，小于材料屈服强度 250MPa 的要求。图 4 为等效 vonMises 应力值大于 45MPa 的部位，这些较大的应力水平出现在进气室环形腔、排气室环形腔以及进气管和排气管与下气缸的交汇处。通过计算可知，探伤部位可在进气室、排气室环形腔以及进气管和排气管与下气缸的交汇处进行。图 3气缸等效 vonMises 应力分布图 4等效 vonMises 应力大于 45MPa 的部位2.1.3.2静强度校核根据第四强度理论，为使材料不致破坏，则要求：即要求等效 vonMises 应力不超过许用应力，也即是安全系数不小于许用安全系数，即：根据 2004 年版 机械设计手册第 3 卷1推荐，铸件的静强度许用安全系数为 1.62.5。压缩机气缸材质=250MPa，则 250 86.5=2.89，满足材料静强度许用安全系数的要求。2.2压缩机转子有限元应力计算及强度校核压缩机转子进行有限元应力计算的目的是校核转子在超速跳闸转速下其应力水平是否符合材料的要求。研究的范围为压缩机转子，包括主轴和 5 级叶轮。压缩机额定转速 11200r min，最高工作转速11760r min，超速跳闸转速 12940r min。该压缩机第 1 段和第 2 段进气口方向反向布置，以降低轴向力。现用转子为重新设计制造，执行最新标准，并将原铆接叶轮改为两件铣制焊接叶轮，满足相关要求。改造后转子各部件的选材见表 3。表 3转子各部件选材部件名称主轴叶轮平衡盘轴套推力盘材质40NiCrMo7FV520B-S11Cr131Cr1345#锻件2.2.1转子质量保证措施转子制造过程中进行的检验项目见表 4。表 4转子制造过程检验项目项目主轴叶轮转子化学成分是是否机械性能是是否X 射线否否否超声波是是否磁粉探伤是否否着色否是否水压试验否否否尺寸检查是是是组装检查是是是外观检查是是是1）叶轮：执行 0245005离心鼓风机和离心压缩机焊接叶轮锻件技术条件，焊缝经着色检验，执行 0213037离心压缩机焊缝质量检查标准。2）主轴：执行 0245006高速鼓风机和离心压缩机主轴锻件技术条件。压缩机主轴按 API617-7th石油、化学和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机 压缩机 标准 2.5.3 要求进行去磁，并达到标准。3）叶轮在最大连续转速的 1.15 倍的转速下做超速试验，时间至少 1min，轴孔的变形或其他关键尺寸不超过图纸规定的公差。4）转子（包括半联轴器）组装后必须保证安装211第 3 期何文丰.离心压缩机的可靠性安全风险评估尺寸和精度要求；转子做高速动平衡。2.2.2转子应力有限元计算模型转子实体模型和网格模型见图 5。图 5转子实体模型和网格模型2.2.3边界条件及载荷边界条件为支承轴承处沿圆柱面转动，推力轴承推力盘处轴向约束。由于气动力较小，相对叶轮的离心力来说小得多，对叶轮强度影响可以忽略，因此，整个叶轮只考虑离心力的影响。离心力通过施加转速来实现，计算转速为超速跳闸转速，即12940r min。2.2.4结果分析2.2.4.1应力计算图 6 为转子径向（相对于旋转轴）应力分布图，径向最大应力出现在第二级叶轮叶片与轮盘交汇处，为 581.3MPa。图 7 为转子的切向应力分布图，切向最大应力出现在第一级叶轮叶片进口与轮盖交汇处，最大应力值为 746.2MPa。图 6转子径向应力分布图 7转子切向应力分布由图 6 和图 7 可知，每级叶轮的径向最大应力和切向最大应力出现的位置是一定的，并且叶轮受到的切向应力较大。图 8 为转子的等效 vonMises 应力分布。最大等效 vonMises 应力出现在第 1 级叶轮叶片进口与轮盖交汇处，最大应力值为 663.8MPa，小于叶轮材料的屈服强度 1029MPa。且从图中可知，主轴的应力水平较叶轮低。图 8转子等效 vonMises 应力分布2.2.4.2静强度校核根据第四强度理论，为使材料不致破坏，则要求：即要求等效 vonMises 应力不超过许用应力，也即是安全系数不小于许用安全系数，即：由压缩机叶轮材质屈服极限=1029MPa，则=1029 663.8 1.55，即压缩机叶轮部件最小安全系数为 1.55，塑性材料静强度安全系数推荐值 1.52.0 及叶轮出厂时已按最大连续转速的1.15 倍进行了超速试验，判断选材满足强度要求。3无损检测检验通过风险评估及有限元分析计算，按照以下要求对机组进行无损检测，未发现需要整改缺陷。1）压缩机气缸的内外部腐蚀宏观检查。以压缩机气缸底部排凝口为中心的半径为 15cm 的范围内需要密集测厚检查正常。2）压缩机气缸水压试验。水压试验合格。3）压缩机气缸及汽轮机汽缸外表面局部渗透探伤（有限元计算后确定的高应力区）。渗透检测未发现缺陷。4）汽轮机汽缸内外部腐蚀宏观检查正常。5）压缩机转子及汽轮机转子渗透探伤（整个转子包括轴、轮盘、叶片等）。4 结束语通过对机组可靠性风险评估，当前状态该机组的风险等级处于低风险（M）的范畴，根据风险可接受准则判定其是可以接受的。在 FMECA、HAZOP分析建议中那些被遗留至下次大检修期间完成的技术改造行动仍需按期执行。通过风险评估及有限元分析，确定了检测及完善清单，从根本上确保了机组（下转第 216 页）2162023 年第 46 卷范手段之一，极大提高了石化企业的安全管理智能化，有效地预防了重大安全事故的发生，为石油化工装置的安全生产运行保驾护航。参考文献1GB T501152019.工业电视系统工程设计标准 S.2SH T31532021.石油化工电信设计规范 S.THE APPLICATION OF IP NETWORK VIDEO MONITORING SYSTEM IN PETROCHEMICAL PLANT Yang Bo（SINOPEC Ningbo Engineering Co.，Ltd.，Ningbo315103）Abstract：Thevideomonitoringsystemasoneofthesafetyprotectionmethodshasbeenappliedwidelyinpetrochemicalfield，andplayedanimportantroleinsafeoperation.Thepaperintroducedthedevelopmenthistoryofvideomonitoringsystem，theadvantageofIPcamera，andtheapplicationofIPnetworkvideomonitoringsysteminpetrochemicalplantdesign.Key words：IPnetworkmonitoringsystem；IPcamera；safeoperation；applicationdesign及装置的安全运行，对于设备风险评级及长期停用后再投用关键设备、超期服役设备的评价有一定的借鉴意义。参考文献1机械设计手册编委会编著.机械设计手册 M.第 3 卷，北京：机械工业出版社，2004：19-21.RELIABILITY AND SAFETY RISK ASSESSMENT OFCENTRIFUGAL COMPRESSORHe Wenfeng（SINOPEC Zhenhai Refining and Chemical Branch，Ningbo 315207）Abstract：Thispapermadeacompleteassessmentonthecentrifugalcompressorthatwasoutofserviceforalongtimeandgoingtobeputintoserviceagainfromaspectsoffailuremodeeffectandcriticalityanalysis，thehazardandoperabilityanalysis，safetyintegrationlevel，stresscalculationwithfiniteelementmethodandtheultimatenondestructivetestinginordertoensurethereliabilityofthecompressor.Thisassessmentwillprovidereferenceforthesafetyandriskassessmentofoldmachineandtheequipmentoutofservicetime.Key words：centrifugalcompressor；riskassessment；safety；outofservicetime；reliabilityAbstract：Regardingtothefailuressuchasvoltageshockandtripthateasilyhappenedduringstartingupthehighvoltagemotorinpetrochemicalproject，weanalyzedtheIndustrialandCivilPowerSupplyandDistributionManual（RevisionIV），consideredthepracticalcases，andrevisedthecalculationformulaofhighvoltagemotordirectstart-up.Key words：highvoltagemotor；start-up；temporaryvoltagedrop（上接第 206 页）（上接第 211 页）珍惜资源，永续利用！