芳烃装置膨胀机叶轮断裂原因分析及处理

(盛虹炼化（连云港）有限公司, 江苏 连云港 222000)

摘 要：介绍了某公司芳烃装置尾气膨胀机在运行过程中突然发生的叶轮断裂事故，对断裂原因及处理情况进行了分析，并提出了相应的预防措施及对策，为机组的安全、稳定运行提供了可靠的理论和实践基础。

关键词：芳烃; 膨胀机; 叶轮; 断裂; 振动; 分析

1 概述

某公司空气压缩机组是芳烃装置的核心机组，为我国大型芳烃装置用空气压缩机组的首次国产化应用。机组采用集中润滑油站供油，主要由汽轮机、空气压缩机、尾气膨胀机三部分组成。汽轮机是利用系统自产的低压、低低压和超低压蒸汽的凝汽式汽轮机以实现装置低压复产蒸汽的能量回收，空气压缩机采用了大型齿轮整体组装式离心结构，尾气膨胀机采用了大型齿轮整体组装式向心结构完成氧化尾气能量回收。汽轮机、空气压缩机、尾气膨胀机之间以膜片联轴器连接实现扭矩传递、机组功率平衡的功能，机组组成布置详见图1。

 图1 芳烃装置压缩机组整体组成及布置简图

2 尾气膨胀机的基本情况

2.1 尾气膨胀机的相关工艺

驱动压缩机的动力由蒸汽汽轮机和尾气膨胀机提供，透平利用多余的自产蒸汽来回收能量，当尾气膨胀机在氧化反应器在线时利用反应尾气回收能量。空气压缩机和尾气处理系统是高度集成的，压缩机的最低负荷工况约70%，当氧化反应器负荷较低时，空气经过尾气系统旁路（能量回收加热器物流线，带气动止回阀）至尾气膨胀机回收能量。空气压缩机和尾气处理系统开车时，空气压缩机的工艺空气首先进入膨胀机入口，接着工艺空气经尾气处理系统后进入膨胀机；当装置负荷高于70%时，尾气处理系统的旁路工艺空气应停止运行。

2.2 尾气膨胀机组成结构及主要技术参数

2.2.1 组成结构

该尾气膨胀机为两级整体组装式膨胀机，各级进气均为径向，排气口方向为轴向。整机由两级叶轮构成，均采用整体铣制叶轮。叶轮通过端面齿与齿轮箱高速轴连接，齿轮箱体通过螺栓与机壳连接。整体组装式尾气膨胀机主要由膨胀机本体和中间加热器构成。其中，膨胀机本体主要由整体多轴齿轮箱、机壳、叶片可调喷嘴机构、叶轮、扩压段等组件构成，详见图2。

为了使各轴转速分配合理，该整体组装式尾气膨胀机设计为两级两轴。该整体齿轮箱由齿轮箱体、一个大齿轮轴、两个小齿轮轴组成。其中两个小齿轮轴用于安装两级叶轮，分别布置于大齿轮轴的水平两侧。齿轮箱体为铸钢件，水平剖分结构，低速齿轮和高速齿轮轴齿面经渗氮硬化和打磨处理，齿轮为单斜齿齿轮，螺旋角为12.5°。齿轮箱的设计充分考虑拆装维护的方便性，在不解体膨胀机蜗壳情况下可拆卸上半齿轮箱，对齿轮进行检查。同时在不解体上半齿轮箱的情况下，可通过上半齿轮箱上的两个盖板来对齿轮箱内部情况进行观察，齿轮箱各齿轮采用强制喷油润滑。

图2 尾气膨胀机结构简图

2.2.2  主要技术参数

尾气膨胀机具体技术参数见下表。

表1 尾气膨胀机主要技术参数

3 故障现象及原因分析

3.1  故障现象

芳烃装置尾气膨胀机自投运以来，到本次故障发生前一直运行良好。某日某时尾气膨胀机一级齿轮轴振动超高联锁停车，导致膨胀机一级叶轮、一级齿轮轴损坏报废，齿轮箱损坏严重。

从机组运行监测画面查看机组轴系振动趋势图，见图3。尾气膨胀机一级叶轮转子四个测点振动同时高高报，在1个小时内逐步升高并触发联锁停车，相邻大齿轮轴及输出齿轮轴振动也伴随升高。振动值从10μm正常值范围，迅速增加至报警值55μm，并增加至75μm，触发机组联锁。

决定拆除尾气膨胀机一、二级出口管线，检查一、二级叶轮。在停机惰走阶段，现场发现尾气膨胀机一级、二级有大量带压蒸汽排出，特别是一级蜗壳底部排放管，二级出口管道消音器底部排放阀也有明显带压蒸汽和凝液排出。根据以上异常现象，初步判断尾气膨胀机蒸汽来自能量回收加热器，管程发生严重泄漏，紧急隔离能量回收加热器蒸汽侧。

图3 膨胀机一级轴振动监测画面

待一、二级出口管线拆除完成，发现尾气膨胀机一级叶轮出风段叶片断裂（1 个叶片断裂，5 个叶片出现裂纹，1 个部分断开，共7 个叶片损坏）。蜗壳型环和导叶主体表面有大量水垢和水锈，见图4。

继续拆除尾气膨胀机一、二级齿轮轴，其中在拆除一级叶轮时，螺栓拉伸器油泵压力升至800bar时（叶轮安装时螺栓拉伸器压力为913bar），一级叶轮拉伸螺栓突然断裂，见图5叶轮锁紧拉杆断口照片（月牙形，断面光亮）。

3.2  原因分析

（1）尾气膨胀机叶轮在高速旋转过程中被撕裂，可能有如下原因：

l 叶片内部存在裂纹等缺陷。这种缺陷会导致叶轮高速运转时开裂形成故障，一般会在设备运行较短时间内暴露出来。

l 腐蚀原因，造成叶片强度降低，导致撕裂。尾气膨胀机介质氧化尾气中含有溴甲烷，在经过尾气催化氧化系统焚烧后，溴甲烷转化为溴化氢，尾气中含有一定量的水，如果尾气温度降至相应压力的露点以下，溴化氢将有冷凝析出的可能。本系统一直在给定的工艺条件下运行，而且控制出口温度均高于设计参数，不存在结露现象，同时膨胀机系统及叶轮表面均未发现明显腐蚀迹象，基本可以排除腐蚀原因。

l 膨胀机吸入异物，撞击叶片产生裂纹导致事故。膨胀机入口管线设置过滤器，发生事故后，检查过滤器滤网完好，工艺条件正常，由外来异物冲击致损原因可以排除。

l 设计、制造原因。膨胀机叶轮叶片出现故障断裂、损坏在其它项目上也有发生，一般制造质量原因居多，考虑作为小概率事件。

（2）事故发生的因果关系分析：

尾气膨胀机叶轮与小齿轮轴采用了“端面齿”式连接方式，事故发生后，端面齿强度较薄弱，巨大的振动冲击载荷首先破坏了端面齿连接，将破坏力集中在叶轮侧。

从叶轮损坏的情况来看，叶片裂纹扩展直至撕裂脱落，尾气膨胀机轴系的动平衡失效，高速旋转的叶轮失稳转子失去平衡，于是转子剧烈振动达到联锁值停车，在巨大的冲击力作用下，一级转子端面齿损坏、拉紧螺栓断裂，叶轮从轴上脱落，叶轮与蜗壳碰撞摩擦，这是在极短的时间内发生的。

装置开车阶段和正常生产过程中，压缩机组能量回收系统管线上的DN400的气动止回阀由于泄漏量大，少量尾气回流至能量回收加热器，致其换热管束腐蚀开裂，管程SS10 蒸汽泄漏至壳程，导致SS10泄漏蒸汽混入空气及尾气，进入尾气膨胀机。

蒸汽进入尾气膨胀机一级，叶轮做功后，蒸汽在到达叶片出风口前迅速凝结成水（正常工作时，尾气做功后离开一级叶轮叶片压力在2.5～3.0barA，温度60～90℃，这种工况下蒸汽已完全转变为凝结水），叶片在液体冲击下，产生激振力，致使富水/应力集中区域叶片疲劳断裂或过载断裂。这可能是叶轮叶片开裂和断裂的直接原因。拆开出风管时，发现叶片断裂区/开裂区水迹明显也能对此佐证。

（3）叶片顶端变形原因分析：

叶片断裂后，断裂物在强大离心力作用下甩至叶轮入口（即叶轮外圆周），与叶轮叶片顶端、导叶及导叶筒背部等部件剧烈碰擦，造成叶片顶端变形，导叶卷边等现象，而并非有异物从入口管进入一级尾透将叶片击弯（一级入口过滤器滤板孔径只有6mm，直径大于6mm 的异物不可能进入膨胀机一级，检查一级叶轮其所有叶片工作面光滑平整）。大块叶片断裂物在叶轮与导叶之间被打碎后被离心力甩入蜗壳。一级蜗壳腔体内表面有金属附着物和大面积细小撞击痕迹，验证了断裂的叶片在离心力作用下高速返回到叶轮入口处，撞击叶轮入口和导叶片，断裂成大小不等碎片，最终所有残留物均停留在蜗壳内，没有进入下游管线和设备内。

（4）叶轮锁紧拉杆断裂（月牙断面）原因：

直接原因是因剪切力大于拉杆材料的剪切强度。过大的剪切力来源可能有两个，一个是泄漏的蒸汽做功在叶轮处凝结成水产生的额外扭矩，另一个是断裂的叶片挤在叶轮与导叶之间产生的瞬时阻力。拉杆粗糙断面（不规则圆形断面）应该是拆叶轮过程中螺栓拉伸器作用力的结果，因为拉杆之前已有1/3断口，无法承受正常拆卸拉伸力，断口符合拉断特征。

4 修复方案

4.1  齿轮箱部分

根据对齿轮箱的损坏情况进行评估，一级齿轮轴及轴承完全损坏，大齿轮齿面损坏严重，齿轮箱一级齿轮轴叶轮侧变形，压盖轻微变形，油封损坏。一级轴承铂热电阻和振动位移探头损坏。齿轮箱部分整体委托国内专业齿轮箱厂家进行修复处理，损坏的一级齿轮轴、轴承、油封、铂热电阻和振动位移探头采用备件予以恢复。

4.2  膨胀机部分：

l 一级叶轮、拉杆和锁母及配套小件损坏，整体重新采购补制。

l 一级轴端密封损坏，整体重新采购补制。

l 一级叶轮密封，表面剐蹭严重，修复使用。

l 所有O型密封圈重新采购补制。

l 其余零部件清洗修复后重新安装使用。

4.3 安装、试车

l 齿轮箱部分在齿轮箱厂家进行整体安装，不带叶轮的空载试车。

l 一级叶轮和齿轮轴在膨胀机厂家进行动平衡。

l 齿轮箱空载试车后返膨胀机厂家，安装叶轮及蜗壳进行整机机械运转试验。

5 结束语

此次事故的直接原因是机组能量回收系统设计不完善，只依赖一台气动止回阀隔离尾气，同时止回阀未设置开闭反馈讯号，操作人员无法判断关闭位置，且气动止回阀本身内漏，导致少量尾气回流至能量回收加热器，造成换热器管程腐蚀泄漏，进而蒸汽进入膨胀机，叶片受损。因此，止回阀不能作为阻断两种不同介质的有效设备，特别是止回阀两侧管线、设备材质等级不同时更要注意，应增加有密封良好的切断阀作为安全隔离措施，以消除该系统蒸汽进入膨胀机的隐患。

参考文献

[1] 尾气膨胀机叶轮用材料耐蚀性能研究.腐蚀科学与技术. 2017年4期

[2] 炼油厂高压加氢装置循环氢压缩机组的选型及控制分析.化工机械. 2015

[3] 某离心压缩机叶轮断裂失效原因分析.风机技术运行与维护.201209

作者简介：罗伟华（1984-），男，毕业于中国石油大学（华东），一直从事石油化工设备技术与管理工作。

       来源：化学工程与装备 - 官方网站 - 创刊于1972   2022年第12期   在线投稿  >>