透平式氯气压缩机高速转子损坏原因探析

杨金顺

（中国平煤神马集团开封东大化工有限公司，河南开封475003）

随着中国氯碱工业近十年的高速发展，尤其是离子膜法烧碱逐步取代隔膜法烧碱，透平式氯气压缩机得到快速普及而逐步取代液环式压缩机。杭州阳光集团求是透平机制造有限公司生产的透平式氯气压缩机，其规格由3万t/a到15万t/a，大多运行情况良好，其中，有众多的连续稳定运行数年的企业及机组，但也有个别企业、个别台位、个别时段多次出现高速转子损坏的例子。为了查清原因，杭州阳光集团曾出资请浙江工业大学强度工程及软件研究所等单位对透平机高速转子进行破坏性试验，并结合多年售后服务维修实践经验，总结分析事故原因，提出了改进措施并实施，大部分问题得到了较为满意的解决。

1 轴承瓦块损坏的原因

对于有5块瓦块且最下瓦块居中的轴承，磨损一般多发生在正下方瓦块及其轴转动方向的后一个瓦块，严重的损坏会导致瓦块巴氏合金熔融、裂纹或碎裂。

1.1 频繁启动与停车

透平式氯气压缩机属高速旋转机械，其高速转子的转速大多为2万r/min左右。在设计时，选用了可倾瓦块轴承，该轴承属多油楔动压轴承，其原理是在转子高速旋转时，轴径与瓦块之间形成具有一定刚度和承载能力的油膜，从而使转子在完全润滑状态下工作。在静止状态下启动或停车时，瓦块会有一定的磨损，故透平式氯压机不适宜频繁地启动或停车。

1.2 润滑油质量低

润滑油质量包括润滑油本身的技术质量指标及润滑油品种的适用性。前者主要是黏度、黏度指数、酸度、抗乳化度、抗氧化性、水份、机械杂质；后者主要是种类、牌号。

油品的黏度随牌号增加而增加。一般来说，低黏度油品适用于高速轻载，高黏度油品适用于低速重载。牌号小的油品，其黏度低、内摩擦小、导热性好，故在可以实现完全润滑的前提下，应选用牌号小的油品。如低黏度油品在一定工况下使用中发现不能实现完全润滑，就应当试用黏度高一级的油品。

油品的黏度指数反映油品黏度随温度变化的趋势，酸度、水分对该指标都有影响。

机械杂质对油膜的形成不利，从而影响轴承的承载能力。

1.3 高速转子的机械振动

有文献认为，油膜自激振荡是透平机高速转子振动的主要原因。但这些文献往往忽略的是，可倾瓦块轴承因随转速和载荷的变化，瓦块可自动调整倾斜度，从而形成合适且相对稳定的瓦块进油侧间隙和出油侧间隙的间隙比h1/h2（见图1）。故极少发生油膜自激振荡。高速转子振动超标主要有以下原因。

图1 瓦块布置和油膜力

（1）叶轮结垢。有的企业氯气干燥除雾效果不好，达不到150 mg/m3的这些杂质及其管道腐蚀生成物在叶轮流道尤其在叶片的吸力面形成积垢，如垢体松脱或不均匀，叶轮动平衡就会失效导致振动。

（2）叶轮腐蚀。氯气中酸、水超标，会对叶轮形成冲刷和腐蚀的双重作用，导致叶轮动平衡失效，产生振动。

（3）转子充气密封段腐蚀。如密封气带水、带油，会对梳齿套造成腐蚀从而影响动平衡并导致振动。

（4）操作不当。当进出口阀门调节不当，自动回流不灵，后系统用户用量减少，会造成氯压机进口压力过低，出口压力过高，当其压缩比（即透平机排气与进气的绝对压力之比）超过允许值时，就会发生“喘振”。

（5）主电机与低速轴承对中不良。当主电机与低速轴对中不良时，除其本身会振动超标易磨损外，低速齿轮还会对高速齿轮产生额外载荷，加快高速轴承瓦块磨损。

1.4 机组负荷相对过载

从发生问题的氯压机组运行的表面状况看，这一问题似乎不存在，但从运行条件综合分析则未必。

由于设备台位不同，并联运行时条件未必相同，阀杆松动引起的开度不同，都可能引起个别设备偏载。透平式氯压机在设计时，都假设有一定条件，并选择效率最高时的工况点作为设计工况点，设备应在此工况点附近运行。但当实际运行工况偏离设计工况较多时，则应视作过载。例如，某企业氯气透平机经常损坏，从电机电流、排气压力、进气压力等情况看不出有任何超载现象，但经设备生产厂家检查发现，由于透平机进气测压点装在进气阀门之前，不能真实反映透平机的进气压力，致使压缩比超过设计值，在调大进气阀开度后，运行转入正常。

（1）排气压力过高。进气条件一定时，排气压力超过一定值即应视为过高，这一值可从实际压缩比与设计压缩比相比较而得。

（2）进气压力过低。排气条件一定时，进气压力低于一定值即应视为过低，判断方法同上。

（3）进气温度过高。压缩机所能达到的进排气压力增加值与进气密度成正比，而进气密度与进气绝对温度成反比。对于多级压缩，后级进气温度高，意味着级间冷却不好，前级排气压力升高，压缩比升高。

（4）氯气纯度过低。氯气分子量为71，空气平均分子量为29，氯气系统泵前（即氯压机前）为负压输送，其中含有极少量氢气，并会混入部分空气，而氯气纯度降低就意味着密度降低，叶轮产生压力的能力就降低，如按正常压力操作，就可能发生“喘振”。例如，某企业选用的透平式氯压机设计进气压力为0.09 MPa（A），排气压力为 0.36 MPa（A），氯气纯度为96%，但在车开车时，排气压力为0.26 MPa（A）时，即发生 “喘振”。经现场查看，进气压力为0.075MPa（A），温度为二十摄氏度左右，取样分析，氯气纯度为60%，由于杂质气体含量高致使进气密度降低，而压缩机允许运行的压缩比会随进气密度降低而降低。虽然，压缩比为2.9，与设计值4.0尚有距离，但实际上已超过设备能力。

2 叶轮损坏原因

2.1 叶轮腐蚀

叶轮腐蚀有以下原因。

（1）氯气质量过低，其中的水、酸、杂质物会产生腐蚀。

a.氯中含水。水在氯气中能生成次氯酸和盐酸，这二种物质对铁和不锈钢都有很强的腐蚀性。如水是以雾滴状存在，对叶轮还会有冲刷侵蚀作用。

b.氯中带酸。如干燥除雾效果不好，干氯气中携带的雾滴在叶轮叶片的压力面会形成冲刷侵蚀，并在叶轮的吸力面和弯角处形成积垢。如氯中同时带水超标，对叶轮会有腐蚀。

c.氯中杂质。氯中杂质可能从干燥系统中来，也可能是氯中含水带酸超标对钢管腐蚀后带来，这些物质组分复杂，对叶轮腐蚀机理亦较复杂，并易在叶轮上结垢。

（2）维修时保护不好。维修时保护不好或维修后干燥氮气（或干燥空气）置换不充分，导致空气及水份混入氯气管道和设备中使叶轮腐蚀。

2.2 叶轮“烧蚀”

（1）转子振动或机组“喘振”可能引起叶轮与端密封和壳体发生摩擦，严重时，产生“氯火”烧蚀。典型的“氯火”烧蚀，可见到残留部分色泽仍正常或局部烤蓝，而“烧蚀”部分的物质则不知去向。

（2）轴承严重磨损与损坏时对轴失去约束力，导致叶轮与配合件摩擦发生“氯火”烧蚀。

（3）梳齿套损坏导致动平衡破坏，引起摩擦发生“氯火”烧蚀。

2.3 叶轮磨损与变形

当各种原因引起转子振动超标或 “喘振”发生时，闭式叶轮表现为与配合件的摩擦造成磨损；半开式叶轮则表现为叶片与配合件的摩擦，对配合件的刮削，严重时，其自身发生弯曲变形。

3 梳齿套损坏的原因

梳齿套套装在高速齿轮轴上，并有铆钉固定，其与装在齿轮箱上的气封环形成无摩擦配合，组成迷宫密封，目前气密封分为3段密封或4段密封，其结构示意图见图2。其中，3段密封没有去次氯塔的废氯管线。

能引起叶轮损坏的原因，大多也会同时引起梳齿套及气封环的损坏。以下着重根据结构原理分析密封气、废氯气及回抽气对迷宫密封的影响。

（1）密封气质量低。

目前，透平式氯压机使用的密封气为干燥氮气或干燥空气。

如密封气含水量超标，进入迷宫密封会向叶轮方向流动，遇到氯气即会对梳齿套造成腐蚀，使密封失效，或是引起转子动平衡破坏，导致整个转子及相配合件的损坏，还可能引起氯气泄漏，污染坏境。更有甚者，使齿轮箱、油箱润滑油氯化、燃烧变质，生成黑色黏稠物质，极难清洗干净，导致润滑油色泽变黑变红，甚至导致齿轮箱及整个机头损坏。

密封气含油的问题很多人不相信，认为干燥气体经过很多工序，不可能含油，但事实确实存在，如南方某厂的氯气透平机采用氮气密封，在经空压机、冷干机、制氮机、干燥器及多次除雾过滤后才送往各氮气用户，到氯压机厂房又增加干燥过滤，而在进氯压机密封系统的管子里仍然检查出很大油滴。此事例证明除油并非易事。

图2 密封结构示意图

密封气带油进入密封装置后，无论是油滴还是油雾，会立即形成雾状，而油雾遇到高浓度氯气有可能立即燃烧，从而使梳齿套和气封环变色、变质甚至“烧蚀”。浙江工业大学强度工程及软件研究所进行的氯在油气条件下对梳齿套的损坏试验也证明了这一点，梳齿套损坏试验见图3。

图3 梳齿套的损坏试验情况

粒径大的机械杂质会使梳齿套摩擦损坏甚至发生“氯火”烧蚀。

密封气压力过低将起不到密封作用。

（2）未开密封气或开量过小。

此时，等同于无密封气或密封气压力过低，其危害视迷宫密封情况而定。如果迷宫密封效果不好，且氯气回抽及废氯抽吸效果不好，可能造成氯气外泄。如近叶轮处的迷宫密封效果良好且氯气回抽及废氯抽吸效果良好时，则可能发生下列情况。

a.空气由密封气排放口被吸入，其中的水分遇氯会对梳齿套造成腐蚀。

b.油气由密封气排放口被吸入，遇氯反应升温，导致密封件变形摩擦，引起轴振，轴瓦温升增高，甚至发生‘氯火’烧蚀。

c.由于氯气回抽管是从后段迷宫密封通往一级进气口，该处有较高的负压，如果废氯抽吸管（通往除害塔或次氯吸收塔）的抽吸负压较小，就可能使含有大量湿气的废氯从除害塔（或次氯塔）抽吸到氯气回抽口，这不仅会对梳齿套的腐蚀，而且会对叶轮造成腐蚀。

（3）转子的机械振动。

4 高速齿轮轴损坏原因

（1）透平式氯压机常见的齿轮损坏形式是磨损、断齿、退火等，大多发生在严重“喘振”，轴承严重损坏，齿轮箱“氯火”等极端情况下。

（2）当轴承润滑不良，转子严重振动时，轴瓦可能过热，严重时巴氏合金熔化甚至与轴径胶合，或轴瓦基底与轴发生摩擦，都会使轴承处轴径磨损失效。

（3）“氯火”烧蚀。大多发生在梳齿套及叶轮处，当“氯火”严重烧蚀时，会伤及高速轴本身。

5 改进措施

通过以上分析，为保证透平式氯压机能够长周期安全稳定运行，建议在新建氯气干燥装置中，尽可能采用二级填料塔加一级泡罩塔，可以节约干燥用硫酸，也可以减少氯中含水量。在运行中，适当降低氯气离塔温度，以利于后序除雾。在硫酸除雾器中，推荐采用孟山都或其他除雾效率高的滤芯，并保证适当表面过滤气速，减少硫酸及酸泥的夹带。对于已建成装置，尽可能依上述要求改造。不管采用何种方案，都必须将水含量控制在150×10-6以下。

在设备日常运行中，要尽量减少开停车次数，以减少轴承瓦块不必要的磨损。

在密封用气方面，不管采用氮气还是干燥空气，在保证露点为-40℃以下的同时，密切关注密封气的含油量，建议在密封气进入透平机前增加除水、除油设施及过滤器。

在透平机操作中，要确保进出口的压缩比不超标，并要根据氯气纯度适当降低压缩比，以免发生“喘振”。

对于润滑油，在冬季可用黏度低的润滑油，如32号油；在夏季，建议用黏度稍高的润滑油，如46号油。由于各企业的地理位置不同、台位不同、使用条件不同，在32号油运行状况不满意时，不妨试用46号油。不管用何种牌号的润滑油，都要使用正品优质油。

由于设备存在“相对”过载现象，在设备选型时，建议适当留有余地，但余地不宜过大。在实际运行中，建议摸索适应该设备的运行条件。如出现“喘振”征兆，要立即开启小回流。

要密切关注设备运行状况，定期予以分析评估，当设备运行异常时，应及时检查原因并排除，必要时按照设备操作规程及时停车检查。建议不少于每年一次的定检，根据情况予以维修保养，更换磨损超标的零部件，以免个别零部件失效殃及其他部件和整机的正常运行。建议要专人维护设备，由专业人员检修。

在设备检修时，一定要注意拆解件及部位的保护，检修后，要用合格气体彻底置换。在停机待机过程中，不能停止干燥气体的保护。

建议用户及时反馈设备运行情况，与设备生产厂家共同努力将设备维修好、管理好、运行好。