空气离心压缩机运转失效分析

[打印] [关闭] 发布时间:[2010-01-11 00:00]

1 引言

用于6500m3/h制氧的5TYD160型空压机组于2003年初在我厂试运转期间,发现空压机有“带水”作业问题。由于我厂低空污染较严重,空气中含有一定量的SO2等有害气体和被风扬起的干燥的极细颗粒的铜精砂(<5μm的颗粒在遇到西北风或东北风的时候,这些有害物质就会随同原料加工空气一起被吸入空压机内,经压缩浓缩后,部分被机内湿热的水蒸气和小水珠吸收,产生具有腐蚀性的气液混合体。它既腐蚀所接触到的金属表面,又吸附原料空气中的微小尘埃,所以导致空压机在试运转期的20天内,就使转子的Ⅳ、Ⅴ两级叶轮叶片的入口部位冲刷磨损严重。同时,机内有大量集尘。造成空压机短暂停机4天后,由于尘埃的冷却、凝固、干燥等作用,在转子的Ⅲ级级间轴封处,将转子与机壳牢固地粘结成一体,使空压机准备再启动时,盘不动车。因此,被迫解体检修。在检修中,针对试运转期出现的问题,采取了一些积极的预防措施,并在2003年2月初,正式投入使用。在使用中,观察到空压机在表1所列参数下工作时,Ⅲ、Ⅳ两级后排放的空气中含有大量的水气和水液。

表1

机组进气压力/ kPa 0.9   空气流量/ (Nm3/h) 31500
Ⅰ级排压/ MPa 0.06         大气温度/℃ 22.6
                                     Ⅰ级排温/℃ 74.1
 
Ⅱ级排压/ MPa 0.145      Ⅱ级进温/℃ 40.1
                                     Ⅱ级排温/℃ 93.7
 
Ⅲ级排压/ MPa 0.24         Ⅲ级进温/℃ 39.6
                                      Ⅲ级排温/℃ 88.5
 
Ⅳ级排压/ MPa 0.36         Ⅳ级进温/℃ 39.2
                                      Ⅳ级排温/℃ 78.3
 
Ⅴ级排压/ MPa 0.50         Ⅴ级进温/℃ 39.0
                                      Ⅴ级排温/℃ 63.0
 
显然,按照表1参数运行,空压机级间仍带有少量水。为此,只好将级间操作温度适当提高至(50±5)℃,以适当避免级间带水。可是,江南地区的夏季,由于气温高,空气含水量大,即使依照提高后的级间温度进行操作,也不能完全避免夏季空压机级间带少量水。正因如此,空压机在经过包括夏季在内的7个多月的运转后,于2003年8月25日19:00时,第一次出现靠电动机端的排气高压侧径向可倾瓦轴承的X方向振动超标报警,从而使空压机运转失效,进入解体检修阶段。

2 空压机解体后状况

揭开上机盖后,发现Ⅰ、Ⅱ两级叶轮及其相配的蜗壳气道光亮如新。但从Ⅲ级的进气道开始,壁面出现了厚达1~2mm的尘垢。由此往后,各级的进、排气道和蜗壳壁面都布满了尘垢,而且越往后的级,尘垢积的越多越厚。尤其是Ⅳ级蜗壳和其相配叶轮轮盖相对壁面的一处挂尘,其厚度使Ⅳ级叶轮轮盖的中部发生碰摩,并划出一道1.5mm×0.5mm(宽×深)的圆圈。显然此处就是直接导致靠近电动机端的可倾瓦滑动轴承径向X方向振动超标而报警的原因。同时,也应是2003年8月8日停机后很难盘动车的主要原因。在Ⅲ级叶轮的排气口附近,有“带水”作业后留下的零星干涸尘迹;而Ⅳ、Ⅴ 两级叶轮的外缘及轮盘则有严重“带水”作业留下的若干沟壑状尘迹。另外,还可看到这2级叶轮叶片的入口处,叶片与轮盘和轮盖相焊接的两处,冲刷磨损比叶片本身要严重得多,使叶轮叶片的入口形状成月牙形。级间冷却器芯的钢骨架锈蚀也严重,特别是各芯下部锈蚀更为严重。4个级间冷却器壳体的情况是:Ⅰ级后冷却器壳体的空气通道略有锈色,但无明显的块状锈蚀片;Ⅱ级后冷却器壳体的空气通道则开始出现大面积的锈蚀片,其厚度为1.5~2mm;Ⅲ、Ⅳ两级后的壳体空气通道则锈蚀严重,锈蚀片厚达2~2.5 mm。

3 尘垢的不同分布及其对应的主要化学成分

空压机内不同地方的尘垢,都分别取了样,经测量和化学分析得知,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3级叶轮里的叶栅垢片厚度分别为1~1.5 mm,其主要化学成分是FeSO3,其次是CuSO3等物质。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3级蜗壳和其配对的叶轮叶片出口外缘附近以及轮盘处的“浮尘”,其主要化学成分是CuSO3,其次是FeSO3,和少量的CaSO3等物质。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级后冷却器壳体的排气道里的垢片,其主要化学成分基本与叶栅垢片成分相同,只是比叶栅垢片含FeSO3成分更高一点而已。Ⅲ、Ⅳ两级后冷却器芯的进气侧分布的“浮尘”,其主要化学成分与蜗壳和叶轮轮缘处的表面取样成分相同。

4 空压机结构上存在的薄弱环节

通过分析认为,造成空压机运转失效的是尘垢,而引起尘垢的原因是带有腐蚀性的水或水蒸气造成的腐蚀。所以解决水的分离和排放应是首要问题,其次是增加抗锈蚀能力。

根据空压机运转近1年的实际情况,以及两次故障解体情况的分析,归纳总结出空压机主要存在以下几处薄弱环节。

(1)解体看到空压机转子Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3级叶轮及其这段轴上的轴套和平衡盘等都有“带水”作业现象,并造成了这些零部件较严重的锈蚀。因此,需要提高这3级叶轮的抗腐蚀能力。另外,在空压机的拆装过程中,通过水平仪检测,也发现转子的2个轴径处的水平度有误差,2个轴径的外侧都有向上翘,而内侧则有向下倾斜的趋势。证明轴的弯曲刚度薄弱,需要加强。

(2)空压机的4个级间冷却器芯的冷却能力过剩,造成芯子占据空间大。

实际应用时,在最炎热的夏季,冷却器的冷却水量的阀门开度最多只用到80%左右,而这时各级间的进气温度仅达到40℃左右。证明冷却能力过剩,可以适当减小芯的尺寸,腾出空间,以安装水气分离装置。此外还看到,这4个冷却器芯的钢骨架锈蚀严重。由于锈蚀片可能会由于冲刷而进入加工空气中。因此,需要改换材料,以提高骨架的抗锈蚀能力。

(3)在夏季,空压机经Ⅱ级压缩、冷却后,已有冷凝水析出。为了能及时地将这些水分排出机外,需要设置水气分离器。

根据2003年夏季的应用情况和通过解体分析知道,当气温在35℃以上时,若Ⅱ级进气温度为40℃、排气压力则为0.145 MPa、若排气温度为95℃,当排气冷却到40℃时,则会有少量冷凝水析出。解体时会看到Ⅱ级压缩冷却后的排气通道,由于“带水”而造成了表面全部锈蚀。因此,应安装水气分离器。

(4)解体时看到,Ⅲ、Ⅳ两级后的水气分离器制造精度差。存在横排水孔与引流板孔对不上的现象。在排水孔处没有集水槽的情况下,可能发生分离出的水珠进不了孔,又被气流夹带冲走的可能。另外最主要的还是水气分离器的气流路线不够长,也不够曲折,不能充分地将冷却后压缩空气中含有的水分分离出来。尤其是在Ⅲ、Ⅳ两级后,由于压力高,温差大,出水量多,气流速度大等特点,更应设置“曲折而漫长的水气分离之路”。现有的水气分离器很可能就是因为气流速度快,水气来不及分离,就流入下一级中去,从而导致下一级超量“带水”。为此,应想办法使气流速度降下来,或延长水气分离的路径和时间,以达到良好的分离效果。

(5)解体时看到,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级后冷却器壳体的空气流道严重锈蚀,说明选用材料有问题。

由于锈蚀片会被气流冲刷磨损,并且还由于锈蚀片的不定期脱落,均会造成它们夹在加工气流中,而进入叶轮,产生对叶轮叶片的冲击磨损,而且经抛离后,还会成为各处积尘的重要组成部分。所以这里应是一个严重的薄弱环节。

(6)解体后发现,Ⅲ、Ⅳ两级后水气分离器的2个垂直排放口与其相配的下盖壳排放口的位置设计有不合理之处(图3上图)。

尽管第一次解体时,已在下机壳上开设了集水槽并扩大了排放口,起到了减少水气冲击反弹量的作用,但并未从根本上消除冲击而造成的反弹水气,底部锈蚀比上部锈蚀严重的现象依然存在。因此,这里的排放结构仍有缺陷,需要进一步改造。

5 采取的措施

(1)将空压机转子的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3级叶轮以及这段轴上的轴套、平衡盘等零部件,全部改用耐腐蚀的不锈钢材料制造。

(2)适当减小空压机的Ⅲ、Ⅳ两级后冷却器芯的尺寸,腾出空间,改造原来的水气分离器(图1),使其变为图2所示尺寸的水气分离器。

显然,改后的分离器变厚了,水气通路变得“曲折而漫长了”。需要说明的是,改后会使冷却器芯的进水量减少17%左右(计算略)。根据2003年夏季的应用情况来看,水量的有限减少,不会影响到夏季所要求的冷却后温度40℃。因此,方案可以实施。同时,在改制时,也将冷却器芯的钢骨架换成了不锈钢骨架。

(3)在空压机的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级后冷却器壳体排气通道的入口处,加装相当于图1所示的水气分离器。同时,在各级相应的下机壳上钻出对应的排放孔。

因为在各级后冷却器壳体排气通道的入口处,都有100mm×410 mm×1900mm的空间位置,只需将各气道钢板的入口向里稍微切割掉一点,就可以加装相当于图1所示的水气分离器。此分离器距原有的冷却器芯后的水气分离器约50mm。显然,这项措施又进一步加强了水气分离工作。

(4)要求制造水气分离器的厂方,提高制造质量。保证已分离出的水滴或液体能准确地流入横排水孔中。不要再有已分离出的水分又被气流吹进下一级的现象发生。并要求厂方在重新设计时,应尽量让气流流动路线再“曲折”一点,以提高水气分离的能力。

(5)更换空压机的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3级后冷却器壳体的材料,全部由不锈钢材料来制造。

(6)改变各水气分离器下部排放口对应的下壳盖排放孔位置,见图3。

由图3看到,直接在水气分离器的2个垂直排放口的下方,下壳盖上开设排放孔。这样可以减少分离出的水分在底部停留的时间,有利于减少水气冲击造成的反弹水气。为底部营造较干燥的空间提供了可能。

(7)鉴于水气分离器分离水的能力已成倍地提高,以及空压机的一些关键零部件的抗锈蚀能力也得到改善,因此,可以采用类似于操作“H400-6.5/0.97型离心式空压机”的方法进行操作。

H400-6.5/0.97型离心式空压机的操作,基本上是按照“级间充分冷却”的节能降耗方法进行操作。一般在夏季,级间进气温度在36~42℃,在冬季,级间进气温度一般控制在30~35℃。在这种温度下进行操作,当排气压力>0.15MPa时,在夏季通常级间排水量都较大,而在冬季的排水量却只有夏季的1/5左右,甚至更少。由于H400-6.5/0.97型离心式空压机级间排水效果很好,所以可以采用节能降耗的方法进行操作。H400-6.5/0.97型离心式空压机级间排水效果好的原因是,这种机型的空压机和级间冷却器是分上、下设置的,气流管线长,而且存在垂直落差。水气分离的时间和空间相对较宽裕,聚水结构和排水系统设计较合理。

 



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