鄒 云

四川空分設(shè)備(集團)有限責(zé)任公司, 四川 簡陽 641400

0 前言

中海油上海分公司麗水終端處理廠90×104m3/d LPG處理裝置是由PROPAK公司成套的,配套的透平膨脹機組由Atlas Copco旗下的Mafi-trench公司生產(chǎn),2014年7月Mafi-trench公司服務(wù)人員在終端廠調(diào)試時,發(fā)現(xiàn)壓縮機殼體有大量鐵銹,機體排污管線存有液態(tài)水,轉(zhuǎn)子不能自由轉(zhuǎn)動,進一步拆檢發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子部件底部生銹。因為水的存在導(dǎo)致膨脹葉輪輪體塊狀腐蝕,葉片點狀腐蝕嚴重,軸承銹蝕,主軸鋁合金涂層腐蝕,軸封環(huán)及軸封件不同程度腐蝕。Mafi-trench公司認為該機組需要返廠維修,維修周期18個月,維修費用與買一臺主機頭價格相當(dāng)?；谝陨锨闆r中海油上海分公司決定開展國產(chǎn)化改造設(shè)計,并在與國內(nèi)3家公司進行充分的技術(shù)交流后選中四川空分集團公司(以下簡稱川空)為其服務(wù)。

1 方案簡述及原機組設(shè)計控制參數(shù)

主機頭于2015年6月3日在川空集團低溫機械公司進行維修,采用兩個方案:方案一機械修復(fù)原腐蝕零件,修復(fù)后組裝試車,在保證機組安全可靠的基礎(chǔ)上提出現(xiàn)場保守運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速;方案二保留機殼并維持原機組設(shè)計及控制參數(shù),要求川空對機芯內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)進行深入分析、比較,充分理解和推斷原機組的設(shè)計思路,再結(jié)合川空的加工能力及設(shè)計理念對國外機組零部件進行改造設(shè)計,改造設(shè)計后的零部件不但要有良好的加工工藝性,而且改造后的機組也要達到進口機組的轉(zhuǎn)子動力學(xué)、熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能。原機組設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 透平膨脹機機組參數(shù)表

Tab.1 Parameters of turboexpander compressor

項目膨脹機增壓機進口出口進口出口介質(zhì)天然氣天然氣天然氣天然氣壓力/kpa(a)3 650.01 400.01 250.01 745.4溫度/℃-48.0-85.429.359.0流量/(kg·h-1)28 51028 51028 59028 590轉(zhuǎn)速/(r·min-1)39 50039 50039 50039 500天然氣摩爾組分/(%)C1:85.68,C2:4.68,C3:1.43,IC4:0.13,NC4:0.06,IC5:0.06,NC5:0.01,NC6:0.01,N2:5.25,CO2:2.69C1:86.3,C2:5.57,C3:0.08,N2:5.17,CO2:2.88振動控制20 μ報警、36 μ聯(lián)鎖(Mafi-trench機跳電跳過濾)25.4 μ報警、42 μ聯(lián)鎖(川空機跳電跳未過濾)軸承溫度控制88℃報警、93℃聯(lián)鎖推力控制1.03 MPa報警、1.38 MPa聯(lián)鎖備注膨脹端溫降37.4℃,壓機端壓比1.396

2 維修改造方案選擇

2.1 方案一:機械修復(fù)原腐蝕零件

2.1.1 零件修復(fù)

工作輪腐蝕嚴重,通過物理和化學(xué)方法去除塊狀點狀腐蝕部分，見圖1～3,葉輪最大程度恢復(fù)金屬本色,但工作輪修復(fù)后經(jīng)滲透檢查不合格。

壓機輪腐蝕較輕,通過物理方法去除腐蝕部分，見圖4～5,完全讓葉輪恢復(fù)金屬本色,壓機輪修復(fù)后經(jīng)滲透檢查合格。

主軸測振鍍鋁層銹蝕,國外機組鍍鋁是為了過濾轉(zhuǎn)子的機電跳值[1],咨詢了相關(guān)的專業(yè)廠家,無法化驗鍍層金屬成分。川空通過磨削方式,去除所有銹蝕,提高測振部分光潔度，見圖6～7,同時對主軸進行退磁處理來滿足要求,這樣處理后振動顯示值肯定會比實際運行大些,因為機跳電跳[1]未過濾。

圖1 修復(fù)前的膨脹輪照片F(xiàn)ig.1 Photo of expander impeller before repair

圖2 修復(fù)后的膨脹輪照片F(xiàn)ig.2 Photo of repaired expander impeller

圖3 修復(fù)后的膨脹輪滲透檢查照片F(xiàn)ig.3 Photo of penetrant inspection of repaired expander impeller

圖4 修復(fù)前的壓機輪照片F(xiàn)ig.4 Photo of compressor impeller before repair

圖5 修復(fù)后的壓機輪照片F(xiàn)ig.5 Photo of repaired compressor impeller

圖6 修復(fù)前的主軸照片F(xiàn)ig.6 Photo of shaft before repair

圖7 修復(fù)后的主軸照片F(xiàn)ig.7 Photo of repaired shaft

2.1.2 修復(fù)零件后的整機性能測試

清除蝸殼、機芯等零部件的銹蝕進行整機組裝,裝配間隙按Mafi-trench公司《操作維護說明書》上的值進行調(diào)整。通過相似性能換算得到增壓端當(dāng)量轉(zhuǎn)速33 600 r/min,當(dāng)量流量2 602.4 m3/h[2-4],工廠測試臺位上用空氣介質(zhì),在33 616 r/min下測試壓比為1.446 7,等熵效率為82.3%;膨脹端測試須在額定轉(zhuǎn)速下進行,當(dāng)轉(zhuǎn)速達到38 000 r/min(額定轉(zhuǎn)速為39 500 r/min)時,機組明顯發(fā)出了不正常聲音,為了保證機組的安全,川空與中海油駐廠技術(shù)員協(xié)商決定在37 025 r/min進行膨脹端測試,測試等熵效率為81.9%,轉(zhuǎn)速37 000 r/min也作為現(xiàn)場保守運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

2.2 方案二:國產(chǎn)化改造設(shè)計

2.2.1 改造難點及改造措施

原機組是用一根細長螺桿穿過主軸Φ 9.5的通孔來同時軸向固定膨脹輪和壓機輪,細長桿徑向靠主軸的通孔定位見圖8。細長桿的材料、加工精度和主軸通孔的形位精度要求都非常高,任何一個環(huán)節(jié)出問題,都會導(dǎo)致機組振動大甚至無法開車。對該結(jié)構(gòu)進行深入分析,抓住主軸Φ 9.5的通孔并非主要是為了減輕重量這一關(guān)鍵,更改為通過主軸兩端各外伸一根短螺桿分別軸向固定膨脹輪和壓機輪[5],見圖9,在磨床及車床上非常容易保證主軸每個臺階的圓度、同軸度等形位精度[6],根據(jù)運行環(huán)境并考究材料后主軸選用中碳合金鋼[7]。另外對新設(shè)計的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行動力學(xué)分析、調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸達到設(shè)計要求。

圖8 原機組一根細長螺桿示意圖Fig.8 Schematic diagram of the one long screw of the original unit

圖9 更改后的兩根短螺桿示意圖Fig.9 Schematic diagram of the two changed short screw

原機組葉輪與主軸連接采用錐型結(jié)構(gòu)，見圖10,葉輪定心好。加工該結(jié)構(gòu),如果精度出現(xiàn)偏差,主軸與葉輪松配合導(dǎo)致振動,或者軸向定位不準(zhǔn)確導(dǎo)致工作輪(壓機輪)與噴嘴(擴壓器)對中性不好,膨脹端(壓機端)氣動性能達不到設(shè)計要求。綜合考慮測繪誤差,錐型軸孔加工,葉輪流道對中、材料等原因更改為直型結(jié)構(gòu)，見圖11。定心比原結(jié)構(gòu)稍差主要是由葉輪孔與軸的間隙造成的,控制配合間隙小于0.01 mm來解決定心問題,Φ 25孔軸配合本身尺寸小,在保證傳遞扭矩的情況下減小軸向長度,這樣軸的形狀及位置精度可以通過雙頂磨得到保證;葉輪各外圓面、內(nèi)孔、定位端面可以通過數(shù)控車并一刀落[8]來保證各外圓面與孔的同軸度及定位端面與孔的垂直度,短孔的圓度公差也容易保證。葉輪對中問題靠軸肩[9]軸向定位可很好解決。減少軸向長度還可提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛性及轉(zhuǎn)子動力學(xué)性能[10]。

圖10 原機組錐形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of the cone structureof the original unit

圖11 改后直型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of the modified straight structure

由于軸封是易損件,原機組隔板、軸封由一體結(jié)構(gòu)改為分體結(jié)構(gòu)[5]見圖12～13,對曲折形、平滑形、階梯形、錐型等迷宮形式及迷宮齒的結(jié)構(gòu)尺寸進行研究[11],選擇錐型并在運轉(zhuǎn)中咬合成鑲嵌形的迷宮密封,減少密封氣泄露。更換軸封時只換中心軸封部分,備件成本低且加工更方便快捷,還可加大結(jié)構(gòu)傳熱阻尼[12],降低冷量向熱端傳播。

圖12 隔板與軸封一體示意圖Fig.12 Schematic diagram of the integrated clapboard and shaft seal

圖13 隔板與軸封分體示意圖Fig.13 Schematic diagram of the split clapboard and shaft seal

工作輪和壓機輪均是三元流葉輪,五坐標(biāo)銑床通過測繪數(shù)據(jù)點銑加工才能完成,公司加工軟件暫時只有直紋加工模塊無法通過測繪數(shù)據(jù)加工葉輪;由于時間緊,外協(xié)廠家對葉輪數(shù)據(jù)的消化、處理緩慢,決定重新設(shè)計葉輪流道來解決加工及時間緊張等問題。

工作輪流道一是對工作輪測繪的葉片數(shù)據(jù)進行分析,近似轉(zhuǎn)化為直紋面加工;二是通過設(shè)計參數(shù)進行熱力學(xué)計算,按一元流動確定工作輪邊界尺寸[13],再對工作輪(向心渦輪)的動態(tài)參數(shù)進行研究選擇[14],最后進行葉輪流道的三元流動核算[15]得到膨脹輪氣流通道;在工廠內(nèi)通過熱力測試[16]進行比對。

因壓機輪葉片測繪數(shù)據(jù)無法近似轉(zhuǎn)化為直紋面,故舍棄葉片測繪數(shù)據(jù),通過以下兩種方式來得到壓機輪葉片流道:一是通過設(shè)計參數(shù)結(jié)合川空已有的空氣壓機輪模型級?；瘔簷C輪流道(非嚴格意義上的相似)并修正[2-4];二是通過川空研發(fā)的混流葉輪[4]作為模型級?；瘔簷C輪流道[17],在工廠內(nèi)模擬測試進行比對。

另外,對軸承零件進行了全新設(shè)計并強化其抑振性能,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重新設(shè)計調(diào)整并核算其臨界轉(zhuǎn)速[18]為61 913 r/min,工作轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速的0.638(≤0.7)倍[19],主機裝配間隙做了相應(yīng)調(diào)整,這里不再贅述。

2.2.2 國產(chǎn)化主機工廠內(nèi)性能測試

國產(chǎn)化主機組裝好后在額定轉(zhuǎn)速39 500 r/min下進行機械運轉(zhuǎn),并在41 536 r/min下超速1 min一切正常,機械性能測試考核通過;為了對照的科學(xué)性,膨脹端在原機組機械修復(fù)后能達到的轉(zhuǎn)速37 000 r/min下進行了相應(yīng)熱力學(xué)[20]及氣體動力學(xué)性能[21]測試,其中測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直紋面加工的膨脹輪,在37 557 r/min下測得的膨脹端等熵效率為82%;模擬熱力計算得到流道加工的膨脹輪,在37 050 r/min下測得的等熵效率為81.2%。而增壓端在相應(yīng)的當(dāng)量轉(zhuǎn)速和當(dāng)量流量的基礎(chǔ)上進行寬泛的相似性能模擬測試,按空氣壓機模型級模化的壓機輪,在當(dāng)量轉(zhuǎn)速33 554 r/min下測得的壓比為 1.376 9,等熵效率為75.8%;按混流葉輪模型級?；膲簷C輪,在當(dāng)量轉(zhuǎn)速33 212 r/min下測得的壓比為1.424 8,等熵效率為81.2%，見表2。從理論上講LPG膨脹機在工廠內(nèi)測試工況(空氣介質(zhì))和實際運行工況(天然氣介質(zhì))不相似[2-4],熱力學(xué)性能及氣動性能測試只能作為出廠驗收的參考,現(xiàn)場實際開車數(shù)據(jù)才是最終性能考核的依據(jù)。

表2 方案二廠內(nèi)性能試驗參數(shù)表

Tab.2 Parameters of factory performance test of scheme 2

項目膨脹端增壓端轉(zhuǎn)速/(r·min-1)效率/(%)當(dāng)量轉(zhuǎn)速/(r·min-1)壓比效率/(%)測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直紋面加工的膨脹輪37 55782.0———模擬熱力計算得到流道加工的膨脹輪37 05081.2———空氣壓機模型級模化的壓機輪——33 5541.376 975.8混流葉輪模型級?；膲簷C輪——33 2121.424 881.2 注:1)“當(dāng)量轉(zhuǎn)速”根據(jù)設(shè)計參數(shù)及測試當(dāng)天環(huán)境溫度經(jīng)過相似性換算得到,所以與設(shè)計轉(zhuǎn)速有差別;2)按相似理論,用空氣介質(zhì)試驗測得的壓比高于設(shè)計壓比是正常的。

3 維修改造方案結(jié)果對比

3.1 工廠內(nèi)性能測試對比

3.1.1 運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速

從2.1.2和2.2.2中可知,原機組修復(fù)后在38 000 r/min時機組有異常聲音;國產(chǎn)化機組不但能順利達到額定轉(zhuǎn)速39 500 r/min,且在41 536 r/min下超速1 min,也一切正常。

3.1.2 熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能

工廠內(nèi)測試的熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能和原機組非常接近,如果考慮測試偶然誤差因素,國產(chǎn)化機組和原機組在熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能上完全可以互換。

3.2 出廠方案選擇

中海油上海分公司經(jīng)過慎重考慮,最終確定整個主機按國產(chǎn)化方案出廠,其中膨脹輪選用按測繪數(shù)據(jù)近似轉(zhuǎn)化直紋面加工的葉輪,壓機輪選用按混流葉輪模型級?；娜~輪;國外相應(yīng)修復(fù)零件散件包裝發(fā)回麗水終端處理廠作為應(yīng)急備用。

3.3 國產(chǎn)化機組現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果

國產(chǎn)化后的主機于2015年8月31日出廠,11月11日開車調(diào)試,轉(zhuǎn)速達到38 935 r/min(接近額定轉(zhuǎn)速39 500 r/min),膨脹端進出口溫降達到39℃(PROPAK在膨脹端進出口未設(shè)置溫度計,只能從裝置的氣液分離罐及冷箱復(fù)熱的溫度計推算得到),膨脹機出口溫度太低,超過整個裝置最低溫度限制,為了保障整個裝置運行安全,麗水終端決定在38 935 r/min下短時間運轉(zhuǎn)考核機組的機械性能;軸振動為13.97～19.81 μ,軸承溫度53～54℃,軸承推力0.816 MPa。由于下游用氣原因,膨脹機在35 000～37 000 r/min運轉(zhuǎn)就能滿足工藝流程要求,壓機端壓比為1.36。經(jīng)過連續(xù)運行72 h考核,中海油上海分公司于2015年11月19日簽字驗收。

4 改造結(jié)果分析

4.1 國產(chǎn)化機組轉(zhuǎn)子動力學(xué)及機械性能

運行轉(zhuǎn)速:38 935 r/min,非常接近設(shè)計轉(zhuǎn)速39 500 r/min;

膨脹端軸振動:X軸13.97 μ,Y軸14.48 μ,均小于報警值20.32 μ;

增壓端軸振動:X軸19.81 μ,Y軸19.3 μ,均小于報警值20.32 μ;

前軸承溫度54℃,后軸承溫度53℃,均小于報警值88℃;

軸承推力0.816 MPa,小于報警值1.03 MPa;

4.2 膨脹端熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能指標(biāo)

運行轉(zhuǎn)速38 935 r/min時膨脹端進出口溫降達到39℃,溫降大于設(shè)計值85.4℃-48℃=37.4℃;

4.3 增壓端熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能指標(biāo)

從現(xiàn)場運行DCS畫面可知機組在36 554 r/min壓機端壓比ε=(1 701.1+100)/(1 221+100)=1.36(當(dāng)?shù)卮髿鈮杭s為100 kpa),根據(jù)該變工況按相似理論及增壓機能量頭關(guān)系[2-4],可以推出如下公式(限于篇幅不詳細推導(dǎo)):

(1)

其中:ε1為n1=36 554 r/min下的壓比1.36;ε2為n2=39 500 r/min下的壓比;k為壓機端絕熱指數(shù) 1.299 9。

代入式(1)得

解得在39 500 r/min下壓比ε2=1.429,大于設(shè)計壓比1.396。

從以上分析可知,川空改造設(shè)計思路、方案是切實可行的;零部件的加工工藝性好,轉(zhuǎn)子動力學(xué)、熱力學(xué)及氣動力學(xué)性能優(yōu)良。

5 結(jié)論及建議

2016年1月22日中海油上海分公司在麗水終端處理廠召開了膨脹機國產(chǎn)化項目總結(jié)會,認為這次膨脹機組國產(chǎn)化改造實踐非常成功,各項性能指標(biāo)達到要求,改造成本低,機組提前一年運行,經(jīng)濟效益非?？捎^,因此中海油麗水作業(yè)公司以感謝信的方式表達了對此次國產(chǎn)化改造的認可。

國產(chǎn)化機組的成功運行,證明了川空膨脹機在LPG領(lǐng)域的技術(shù)實力,有能力為國內(nèi)用戶需求的LPG膨脹機免遭國外公司壟斷提供強有力的技術(shù)、制造、備件供應(yīng)及服務(wù)保障。當(dāng)然川空也從中學(xué)到了先進的設(shè)計理念和方法,實現(xiàn)了中海油上海分公司與川空雙贏的目標(biāo)。

雖如此,國產(chǎn)化后的機組在設(shè)計轉(zhuǎn)速下振動最高值19.81 μ,接近Mafi-trench公司提供的報警值20.32 μ。如果能很好地過濾掉機電跳值,設(shè)計轉(zhuǎn)速下振動值應(yīng)在12.7 μ以下,非常接近國外水平。今后工作中要努力提升設(shè)計及加工水平,提高轉(zhuǎn)子等部件的加工精度,降低轉(zhuǎn)子的機跳值;并從工藝角度研究在轉(zhuǎn)子上鍍層金屬以降低電跳值,使川空膨脹機質(zhì)量更上一層樓。