梁力中 張彪 李喜盈 魏濤 王永紅

摘要：聚丙烯裝置液環(huán)壓縮機PK501運行多年，由于腐蝕原因，壓縮機能力無法滿足裝置工藝生產(chǎn)需要。通過對能力不足原因分析，利用先進激光熔覆技術(shù)修復(fù)，修復(fù)后壓縮機能力滿足裝置工藝生產(chǎn)需要。新技術(shù)的使用，節(jié)省了檢修備件費用，縮短了檢修時間，在同類設(shè)備檢修中具有推廣意義。

關(guān)鍵詞：液環(huán)壓縮機;激光熔覆;檢修;氣蝕

一、設(shè)備簡介

獨山子石化公司聚丙烯1PP裝置采用海蒙特公司的SPHERIPOL工藝，反應(yīng)器系統(tǒng)采用一個六條腿環(huán)管反應(yīng)器和一個氣相流化床反應(yīng)器串聯(lián)組成，從反應(yīng)器排出的聚合物淤漿，經(jīng)閃蒸罐D(zhuǎn)301和袋式過濾器F301分離，從袋式過濾器排出的聚合物依靠重力作用流到低速攪拌汽蒸器D501，低壓蒸汽從汽蒸器底部進入，分解催化劑和給電子體剩余物并且分離出聚合物中存留的丙烯和丙烷，催化劑剩余物的分解能產(chǎn)生氯化氫，在水存在的情況下，氯化氫呈現(xiàn)強腐蝕性。因此汽蒸器具有低壓蒸汽夾套，以防止水冷凝，在料位控制下，從汽蒸器排出的聚合物在重力的作用下流入干燥器D502。

離開汽蒸器的氣體，通過一臺旋風(fēng)分離器除去夾帶的聚合物細粒。借助低壓蒸汽噴射器C503的作用，從旋風(fēng)分離器底部排出聚合物細粒重新進入汽蒸器D501，蒸汽進入汽蒸器洗滌塔T501，該塔包括16層塔盤，與水逆流相接觸。使氣體得到洗滌。洗滌后的氣體由安裝在塔頂部的E501冷卻，分離其中的蒸汽。

冷卻后的氣體由一臺液環(huán)壓縮機PK501吸入。經(jīng)過兩級壓縮，含少量有機物丙烯和丙烷壓縮至0.4MPa，壓縮后的氣體在E504中經(jīng)冷凍水冷卻以降低其水含量，經(jīng)分離器D504分離，氣相部分被送到上游裝置。

后因PK301的流量較大，PK301不能完全回收，PV311會有排放。對裝置改擴建時進行了改造。在PK301入口管線增加一根至PK501入口管線，將PK301系統(tǒng)部分氣體回收至尾氣線。目前PK301回收能力滿足，PK301入口至PK501尾氣回收未投用。當(dāng)PK301檢修時，投用該部分，可以減少200kg/h的丙烯排放。

PK501是一臺兩級液環(huán)式壓縮機，相關(guān)參數(shù)如下：

型號：2BW6-150

型式：單作用兩級

介質(zhì)：丙烯、丙烷、乙烯、乙烷、氫氣

工作溫度（入口/出口，℃）：40/60

工作壓力（入口/出口，MPa）：0.02/0.4

轉(zhuǎn)速（r/min）：1480

額定流量（kg/h）：480kg/h

工作液：裝置回收冷凝液

驅(qū)動方式：電機直聯(lián)

二、故障現(xiàn)象

液環(huán)壓縮機C501從1995年安裝投用，正常時，其入口壓力通過回流閥PV511控制在0.02MPa，出口壓力通過壓力控制閥PV512控制在0.4MPa，汽蒸器D501壓力控制器PIC502設(shè)定值0.02MPa，正常生產(chǎn)時汽蒸器D501壓力控制閥PV502無開度。

從2018年初開始，C501出現(xiàn)流量不足情況，不能全部將尾氣回收。汽蒸器D501的壓力控制閥PV502時常有開度。造成部分尾氣進入低壓排放系統(tǒng)，造成尾氣回收量下降。約60kg/h無法得到回收，造成了極大浪費，增加了裝置單耗，產(chǎn)品成本增加。

圖二，處理能力不足壓縮機運行趨勢

并且液環(huán)壓縮機C501出口壓力僅能控制在0.15MPa（正?？刂圃?.4MPa），若增大出口壓力將造成液環(huán)壓縮機不能正常運行。

尾氣通過PV502進入低壓排放系統(tǒng)，會攜帶大量水分。由于低壓排放系統(tǒng)沒有伴熱保溫。這部分水會在冬季造成低壓排放系統(tǒng)凍堵，裝置緊急排放時，排放系統(tǒng)不暢對裝置運行產(chǎn)生極大風(fēng)險，可能發(fā)生嚴重停工事故。

三、原因分析

液環(huán)壓縮機C501處理能力不足問題，同類裝置也曾存在同樣問題。其能力不足主要原因是葉輪與孔板間隙增大造成。造成間隙過大原因均為定位軸承失效，葉輪軸向竄量增加，產(chǎn)生異常機械摩擦造成。[1]，[2] 這對故障原因分析提供了參考經(jīng)驗。針對這臺液環(huán)壓縮機C501處理能力不足問題原因分析。

1、外觀尺寸

從解體檢修情況來看，一級、二級葉輪均出現(xiàn)不完整情況，一級葉輪更為嚴重，葉片厚度、長度都有較多減少，葉片長度最長和最短相差4.6mm，兩處葉片加強筋板完全斷裂;一級、二級進氣、排氣孔板也存在不完整，二級進氣孔板最為嚴重，存在大面積剝落痕跡，最深處11mm，并且進氣孔形狀也受到破壞。

圖三，一級葉輪腐蝕情況 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖四，二級進氣孔板腐蝕情況

為了探究零件不完整是腐蝕還是機械磨損造成，查閱該設(shè)備歷次檢修資料，定位止推軸承均未出現(xiàn)故障情況，四次檢修更換時，軸向間隙0.02-0.04mm。判斷葉輪與進氣、排氣孔板間未發(fā)生機械摩擦。C501介質(zhì)干凈穩(wěn)定，也就排除了異物進入造成磨損的可能性。從上圖一級葉輪和二級進氣孔板來看，缺失部分不均勻，尤其二級進氣孔板，靠近轉(zhuǎn)軸位置有較深坑點存在，判斷是發(fā)生了腐蝕。

2、腐蝕形式

為近一步探究其腐蝕發(fā)生情況，參考API571、《GB/T 30579-2014 承壓設(shè)備損傷模式識別》中聚丙烯裝置存在腐蝕模式，結(jié)合C501運行工況，可能存在三種腐蝕機理：鹽酸腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕開裂和氣蝕。

對C501工作液取樣分析，結(jié)果呈弱酸性，但無氯化氫。雖然催化劑剩余物的分解能產(chǎn)生氯化氫，但經(jīng)過T501洗滌后基本不含有氯化氫，工作液所用冷凝液補充量為800kg/h，所以氯化氫含量幾乎沒有，此處沒有發(fā)生鹽酸腐蝕。葉輪等處未見開裂，又無氯化物存在，所以也就沒有氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

液環(huán)壓縮機正常工作時， 如果壓縮機內(nèi)局部壓力比液體的飽和蒸汽壓力低時， 液體就會發(fā)生汽化， 產(chǎn)生氣泡， 氣泡在高壓的情況下會瞬間破裂， 破裂的氣泡會產(chǎn)生強大的局部沖擊力， 從而對金屬表面造成不同程度的破壞。[3]這種情況就是氣蝕。API571指出，氣蝕容易發(fā)生的部位是低壓區(qū)，葉輪以及孔板下游。氣蝕破壞的外觀看上去邊緣鋒利或像刨削的。

C501工作液是靠裝置回收的冷凝液補充，溫度接近90℃，即便進氣溫度較低，但是壓縮機運行過程勢必產(chǎn)生較大熱量，轉(zhuǎn)軸位置更是由于進氣、排氣孔板軸封填料的摩擦，熱量更多，在一級進氣孔板、葉輪，和二級進氣孔板、葉輪等低壓部位，就發(fā)生了氣蝕，造成了嚴重的腐蝕損壞。當(dāng)然也受到了流體沖刷和電化學(xué)腐蝕的影響。

3、處理能力影響

查閱相關(guān)文獻、資料[4]，[5]，液環(huán)壓縮機流量計算公式如下：

容積流量

式中：ηV為容積效率， ?為理論容積流量;

理論容積流量

式中： r2為葉輪外徑;r0為主軸中心至CD截面液環(huán)面距離;n為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù);β為兩葉片間夾角;b為葉片長度; z為葉片數(shù)。

當(dāng)C501出現(xiàn)上述葉片厚度減小，入口、出口孔板腐蝕，會造成壓縮機攪動是液體損失增加，容積效率ηV降低，進而容積流量較低。

葉片長度b減小容積流量較低。

綜上所述，由于腐蝕引起的壓縮機零件尺寸變化是造成壓縮機處理能力不足的主要原因。

四、解決方案

1、零件維修

葉輪和進氣、排氣孔板均為事故件，一般沒有儲備，緊急采購，供貨周期均在6個月以上，且費用高。

同類裝置采用的堆焊修復(fù)技術(shù)，存在修復(fù)精度低，結(jié)合不好，產(chǎn)生熱變形等問題，沒有采用。而是采用了更為先進的激光熔覆修復(fù)技術(shù)。激光熔覆是通過同步或預(yù)置材料的方式，將外部材料添加至基體經(jīng)激光輻照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆層方法。

對一級、二級進氣、排氣孔板進行激光熔覆修復(fù)，采用逐層熔覆方式，首先對蝕坑進行填補修復(fù)，然后對整個配合面進行修復(fù)，使其在恢復(fù)原尺寸基礎(chǔ)上，增加了0.2mm厚度，最后進行了研磨，保證平面度。

對腐蝕嚴重的一級葉輪，同樣進行了激光熔覆修復(fù)。曲面零件修復(fù)，程序相對復(fù)雜，首先根據(jù)損壞葉輪現(xiàn)有尺寸對其進行了形狀還原，并建立CAD模型，通過邊界輸出， 最終生成熔覆控制程序， 進行了激光熔覆。但是葉片的曲度不是規(guī)則的，在實際邊界提取和形狀還原產(chǎn)生了較大的誤差[6]，修復(fù)效果沒有孔板好。修復(fù)后又對葉片部分進行了一定切割和再次激光熔覆修復(fù)。葉輪厚度和葉片長度基本恢復(fù)了原有尺寸。又對葉輪進行了動平衡試驗。

2、壓縮機裝配

進氣、排氣孔板在修復(fù)時增加了原有尺寸，葉輪厚度也進行了修復(fù)還原，在裝配時，一定要注意控制壓縮機葉輪軸向間隙，通過在一級、二級缸體與進氣、排氣孔板之間加石棉墊片的方法，調(diào)節(jié)軸向間隙在0.1-0.2mm。一級缸體兩邊各加0.5mm墊片，二級入口側(cè)加1mm墊片，二級出口側(cè)加0.5mm墊片。用塞尺檢查葉片與殼體徑向間隙，2.4mm，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。[5]

3、工藝處理

壓縮機發(fā)生氣蝕，考慮凝液本身溫度較高，將工作液補水改為脫鹽水，降低工作溫度，減少氣蝕發(fā)生可能性。

壓縮機檢修后，運行電流150A，出口壓力達到0.4MPa以上，壓縮機回收流量達到280kg/h，PV502無排放，滿足工藝需求。

五、結(jié)語

通過壓縮機能力不足原因分析，發(fā)現(xiàn)壓縮機氣蝕造成葉輪和進氣、排氣孔板尺寸變化，影響壓縮機容積效率與流量。通過激光熔覆技術(shù)修復(fù)，解決了零件無備件問題。檢修后，壓縮機運行工況基本恢復(fù)設(shè)計值。每年減少了丙烯排放約50噸。同時，消除了排放系統(tǒng)凍堵的風(fēng)險。

參考文獻：

[1] 孫閣，撫順乙烯聚丙烯裝置液環(huán)壓縮機修理改進，[J]，當(dāng)代化工，2011.8

[2]彭公平，聚丙烯PK_501液環(huán)壓縮機性能提升改造，[J]，煉油與化工，2017.10

[3]周健，液環(huán)真空泵工作原理、啟停及常見故障分析，[J]，內(nèi)燃機與配件 2018.3

[4]黃思，基于實際工作循環(huán)的液環(huán)壓縮機理論模型研究，[J]，化工機械 2019.2

[5]郁永章、姜培正、孫嗣螢，壓縮機工程手冊，[M]，北京，中國石化出版社，2012

[6]王鑫龍，激光熔覆零件破損邊界提取和形狀還原研究，[J]，激光技術(shù) 2017.3