激光熔覆技术在液环压缩机检修的应用

梁力中 张彪 李喜盈 魏涛 王永红

摘要：聚丙烯装置液环压缩机PK501运行多年，由于腐蚀原因，压缩机能力无法满足装置工艺生产需要。通过对能力不足原因分析，利用先进激光熔覆技术修复，修复后压缩机能力满足装置工艺生产需要。新技术的使用，节省了检修备件费用，缩短了检修时间，在同类设备检修中具有推广意义。

关键词：液环压缩机;激光熔覆;检修;气蚀

一、设备简介

独山子石化公司聚丙烯1PP装置采用海蒙特公司的SPHERIPOL工艺，反应器系统采用一个六条腿环管反应器和一个气相流化床反应器串联组成，从反应器排出的聚合物淤浆，经闪蒸罐D301和袋式过滤器F301分离，从袋式过滤器排出的聚合物依靠重力作用流到低速搅拌汽蒸器D501，低压蒸汽从汽蒸器底部进入，分解催化剂和给电子体剩余物并且分离出聚合物中存留的丙烯和丙烷，催化剂剩余物的分解能产生氯化氢，在水存在的情况下，氯化氢呈现强腐蚀性。因此汽蒸器具有低压蒸汽夹套，以防止水冷凝，在料位控制下，从汽蒸器排出的聚合物在重力的作用下流入干燥器D502。

离开汽蒸器的气体，通过一台旋风分离器除去夹带的聚合物细粒。借助低压蒸汽喷射器C503的作用，从旋风分离器底部排出聚合物细粒重新进入汽蒸器D501，蒸汽进入汽蒸器洗涤塔T501，该塔包括16层塔盘，与水逆流相接触。使气体得到洗涤。洗涤后的气体由安装在塔顶部的E501冷却，分离其中的蒸汽。

冷却后的气体由一台液环压缩机PK501吸入。经过两级压缩，含少量有机物丙烯和丙烷压缩至0.4MPa，压缩后的气体在E504中经冷冻水冷却以降低其水含量，经分离器D504分离，气相部分被送到上游装置。

后因PK301的流量较大，PK301不能完全回收，PV311会有排放。对装置改扩建时进行了改造。在PK301入口管线增加一根至PK501入口管线，将PK301系统部分气体回收至尾气线。目前PK301回收能力满足，PK301入口至PK501尾气回收未投用。当PK301检修时，投用该部分，可以减少200kg/h的丙烯排放。

PK501是一台两级液环式压缩机，相关参数如下：

型号：2BW6-150

型式：单作用两级

介质：丙烯、丙烷、乙烯、乙烷、氢气

工作温度（入口/出口，℃）：40/60

工作压力（入口/出口，MPa）：0.02/0.4

转速（r/min）：1480

额定流量（kg/h）：480kg/h

工作液：装置回收冷凝液

驱动方式：电机直联

二、故障现象

液环压缩机C501从1995年安装投用，正常时，其入口压力通过回流阀PV511控制在0.02MPa，出口压力通过压力控制阀PV512控制在0.4MPa，汽蒸器D501压力控制器PIC502设定值0.02MPa，正常生产时汽蒸器D501压力控制阀PV502无开度。

从2018年初开始，C501出现流量不足情况，不能全部将尾气回收。汽蒸器D501的压力控制阀PV502时常有开度。造成部分尾气进入低压排放系统，造成尾气回收量下降。约60kg/h无法得到回收，造成了极大浪费，增加了装置单耗，产品成本增加。

图二，处理能力不足压缩机运行趋势

并且液环压缩机C501出口压力仅能控制在0.15MPa（正常控制在0.4MPa），若增大出口压力将造成液环压缩机不能正常运行。

尾气通过PV502进入低压排放系统，会携带大量水分。由于低压排放系统没有伴热保温。这部分水会在冬季造成低压排放系统凍堵，装置紧急排放时，排放系统不畅对装置运行产生极大风险，可能发生严重停工事故。

三、原因分析

液环压缩机C501处理能力不足问题，同类装置也曾存在同样问题。其能力不足主要原因是叶轮与孔板间隙增大造成。造成间隙过大原因均为定位轴承失效，叶轮轴向窜量增加，产生异常机械摩擦造成。[1]，[2] 这对故障原因分析提供了参考经验。针对这台液环压缩机C501处理能力不足问题原因分析。

1、外观尺寸

从解体检修情况来看，一级、二级叶轮均出现不完整情况，一级叶轮更为严重，叶片厚度、长度都有较多减少，叶片长度最长和最短相差4.6mm，两处叶片加强筋板完全断裂;一级、二级进气、排气孔板也存在不完整，二级进气孔板最为严重，存在大面积剥落痕迹，最深处11mm，并且进气孔形状也受到破坏。

图三，一级叶轮腐蚀情况                       图四，二级进气孔板腐蚀情况

为了探究零件不完整是腐蚀还是机械磨损造成，查阅该设备历次检修资料，定位止推轴承均未出现故障情况，四次检修更换时，轴向间隙0.02-0.04mm。判断叶轮与进气、排气孔板间未发生机械摩擦。C501介质干净稳定，也就排除了异物进入造成磨损的可能性。从上图一级叶轮和二级进气孔板来看，缺失部分不均匀，尤其二级进气孔板，靠近转轴位置有较深坑点存在，判断是发生了腐蚀。

2、腐蚀形式

为近一步探究其腐蚀发生情况，参考API571、《GB/T 30579-2014 承压设备损伤模式识别》中聚丙烯装置存在腐蚀模式，结合C501运行工况，可能存在三种腐蚀机理：盐酸腐蚀、氯化物应力腐蚀开裂和气蚀。

对C501工作液取样分析，结果呈弱酸性，但无氯化氢。虽然催化剂剩余物的分解能产生氯化氢，但经过T501洗涤后基本不含有氯化氢，工作液所用冷凝液补充量为800kg/h，所以氯化氢含量几乎没有，此处没有发生盐酸腐蚀。叶轮等处未见开裂，又无氯化物存在，所以也就没有氯化物应力腐蚀开裂。

液环压缩机正常工作时， 如果压缩机内局部压力比液体的饱和蒸汽压力低时， 液体就会发生汽化， 产生气泡， 气泡在高压的情况下会瞬间破裂， 破裂的气泡会产生强大的局部冲击力， 从而对金属表面造成不同程度的破坏。[3]这种情况就是气蚀。API571指出，气蚀容易发生的部位是低压区，叶轮以及孔板下游。气蚀破坏的外观看上去边缘锋利或像刨削的。

C501工作液是靠装置回收的冷凝液补充，温度接近90℃，即便进气温度较低，但是压缩机运行过程势必产生较大热量，转轴位置更是由于进气、排气孔板轴封填料的摩擦，热量更多，在一级进气孔板、叶轮，和二级进气孔板、叶轮等低压部位，就发生了气蚀，造成了严重的腐蚀损坏。当然也受到了流体冲刷和电化学腐蚀的影响。

3、处理能力影响

查阅相关文献、资料[4]，[5]，液环压缩机流量计算公式如下：

容积流量

式中：ηV为容积效率，  为理论容积流量;

理论容积流量

式中： r2为叶轮外径;r0为主轴中心至CD截面液环面距离;n为每分钟转数;β为两叶片间夹角;b为叶片长度; z为叶片数。

当C501出现上述叶片厚度减小，入口、出口孔板腐蚀，会造成压缩机搅动是液体损失增加，容积效率ηV降低，进而容积流量较低。

叶片长度b减小容积流量较低。

综上所述，由于腐蚀引起的压缩机零件尺寸变化是造成压缩机处理能力不足的主要原因。

四、解决方案

1、零件维修

叶轮和进气、排气孔板均为事故件，一般没有储备，紧急采购，供货周期均在6个月以上，且费用高。

同类装置采用的堆焊修复技术，存在修复精度低，结合不好，产生热变形等问题，没有采用。而是采用了更为先进的激光熔覆修复技术。激光熔覆是通过同步或预置材料的方式，将外部材料添加至基体经激光辐照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆层方法。

对一级、二级进气、排气孔板进行激光熔覆修复，采用逐层熔覆方式，首先对蚀坑进行填补修复，然后对整个配合面进行修复，使其在恢复原尺寸基础上，增加了0.2mm厚度，最后进行了研磨，保证平面度。

对腐蚀严重的一级叶轮，同样进行了激光熔覆修复。曲面零件修复，程序相对复杂，首先根据损坏叶轮现有尺寸对其进行了形状还原，并建立CAD模型，通过边界输出， 最终生成熔覆控制程序， 进行了激光熔覆。但是叶片的曲度不是规则的，在实际边界提取和形状还原产生了较大的误差[6]，修复效果没有孔板好。修复后又对叶片部分进行了一定切割和再次激光熔覆修复。叶轮厚度和叶片长度基本恢复了原有尺寸。又对叶轮进行了动平衡试验。

2、压缩机装配

进气、排气孔板在修复时增加了原有尺寸，叶轮厚度也进行了修复还原，在装配时，一定要注意控制壓缩机叶轮轴向间隙，通过在一级、二级缸体与进气、排气孔板之间加石棉垫片的方法，调节轴向间隙在0.1-0.2mm。一级缸体两边各加0.5mm垫片，二级入口侧加1mm垫片，二级出口侧加0.5mm垫片。用塞尺检查叶片与壳体径向间隙，2.4mm，在相关标准范围内。[5]

3、工艺处理

压缩机发生气蚀，考虑凝液本身温度较高，将工作液补水改为脱盐水，降低工作温度，减少气蚀发生可能性。

压缩机检修后，运行电流150A，出口压力达到0.4MPa以上，压缩机回收流量达到280kg/h，PV502无排放，满足工艺需求。

五、结语

通过压缩机能力不足原因分析，发现压缩机气蚀造成叶轮和进气、排气孔板尺寸变化，影响压缩机容积效率与流量。通过激光熔覆技术修复，解决了零件无备件问题。检修后，压缩机运行工况基本恢复设计值。每年减少了丙烯排放约50吨。同时，消除了排放系统冻堵的风险。

参考文献：

[1] 孙阁，抚顺乙烯聚丙烯装置液环压缩机修理改进，[J]，当代化工，2011.8

[2]彭公平，聚丙烯PK_501液环压缩机性能提升改造，[J]，炼油与化工，2017.10

[3]周健，液环真空泵工作原理、启停及常见故障分析，[J]，内燃机与配件 2018.3

[4]黄思，基于实际工作循环的液环压缩机理论模型研究，[J]，化工机械 2019.2

[5]郁永章、姜培正、孙嗣萤，压缩机工程手册，[M]，北京，中国石化出版社，2012

[6]王鑫龙，激光熔覆零件破损边界提取和形状还原研究，[J]，激光技术 2017.3