空分增壓透平膨脹機轉子腐蝕的剖析與預防

高智龍

（伊犁新天煤化工有限責任公司，新疆 伊寧 835000）

1 機組主軸受到腐蝕損壞的情況

增壓透平膨脹機在安裝之后因為工期的推遲，使得該機組長時間得不到測試，運行之前需依據《增壓透平膨脹機技術標準條件》GB/T6894-2000的要求，對機組進行檢查，保證機體的內部不存在雜質。但是在運行之前未進行相關檢查就運行，以至于當打開機組的膨脹節時發現入口處的管路中存在積水，內壁有泥沙、鐵銹雜質，解體增壓機和膨脹機進行檢查發現膨脹機、增壓機內存有積水，詳見圖1，機械主軸表面有嚴重的腐蝕情況，詳見圖2。將銹蝕雜質清理干凈，部件上的腐蝕坑較為明顯，腐蝕坑會嚴重影響轉子的動平衡，需返廠進行維修，此膨脹機的功能轉速是29200r/min，機組中參數如表1。

圖1 膨脹機殼下部積水銹跡

圖2 被腐蝕的膨脹主軸

表1 膨脹機組的主要參數

2 分析主軸的銹蝕原理

完成與增壓機相連的管道配管工作后，需要進行水壓測試，在水壓監測前，施工人員沒有關閉增壓機設備出入口的蝶閥以及跨線的閥門，未按要求將盲板設置在增壓機出入口的法蘭處，由于蝶閥密封性比較差，在水壓試驗時導致水通過蝶閥流入增壓機的蝸殼中，增壓機的蝸殼中水位升至軸端的密封處，機組的軸端選用的是迷宮式的梳齒密封技術，在設備的主軸上加工迷宮式的梳齒，使其與合金靜環嚴實的貼合在一起組成軸封，其梳齒的密封間隙保持在＜0.05mm的范圍內，其軸封內必須要有密封氣，以防止泄露工質，使潤滑油不會泄漏進工質氣體中。因軸封的密封氣還未投用，試壓水經過增壓機的軸端密封流入進軸承箱中(此時潤滑油箱與回油管路為隔離的狀態)，設備軸承箱中的水位在上升至一定的高度后，會繼續通過膨脹機的軸端密封處流入至膨脹機殼內。

工作人員在發現機組內部進水后，沒有意識到此問題嚴重程度，未進行有效的排水處理工作，而且此類增壓透平膨脹機的蝸殼上沒有低點排凝的閥門，使得試壓水長期的積存在機組的蝸殼和軸承箱中，無法及時的排出。

增壓透平膨脹機的主軸是40CrNiMoA的材質(化學成分詳見表2)，轉子部件長時間的浸泡在水中，使其表面出現電化學的腐蝕，腐蝕電池中的陰極反應，主要為氧的還原原理，陽極的反應為鐵的溶解原理。電極具體反應如下：

表2 主軸材料具體化學成分

陰極(C)：2H2O+O2+4e=40H-

陽極(Fe)：2Fe-4e=2Fe2+

總反應：2Fe+2H2O+O2=2 Fe(OH)2

反應中生成的Fe(OH)2在有氧環境里繼續氧化，會生成Fe(OH)3，而Fe(OH)3在脫水后會生成紅銹Fe2O3。

3 腐蝕問題對設備轉子動力平衡產生的影響

主軸上的腐蝕坑，會不斷地降低設備上金屬材質的韌性、塑性和強度等性能，使設備主軸的質量出現嚴重的變化，而金屬的損失位置是在轉子部件的單側位置上，這會使得轉子部件出現質量分布不均的情況，其旋轉的中心線會出現偏離，嚴重的影響膨脹機機械轉子部件的動力平衡。

按照《剛性轉子平衡品質》GB/T9239-1988的標準條件，核算該轉子運行中的不平衡量，以不平衡量來決定該轉子部件是否需返廠進行修復。

不平衡量Uper標準的計算公式如下：

式中：M是轉子部件的本身質量，kg；G是轉子部件平衡精度的等級，mm/s；r是轉子部件的校正半徑，mm；n是轉子部件的轉速，r/min。

校正平面不平衡的質量是m，通過轉子的許用不平衡量Uper、不平衡質量m、校正半徑r的關系Uper=m·r能夠得出轉子的許用不平衡的質量，m=M·G×60×103/（2π·r·n）（g·mm）

膨脹機轉子的質量M是10kg，其平衡的精度等級為G=2.5mm/s，轉子的校正半徑是39mm，工作的轉速為n=29200r/min，計算后能夠得出轉子的許用不平衡的質量：

m=lO×2.5×60×103/(2π×39×29200)=0.21g

根據其計算的結果可知，該機組的平衡等級的要求較高，其腐蝕坑使得轉子的質量出現變化，在其旋轉后，轉子重心的主慣性軸和旋轉軸線不相結合，導致轉子的離心力出現不平，干擾機械的周期性，使軸承上出現動力載荷，讓機組出現振動情況。轉子不平衡出現離心慣性，其方向會不斷的改變，主軸旋轉的中心位置也會不斷的變化，其離心力慣性的作用，會使得部件軸出現振動。

轉子的離心慣性力為F，是向量。

式中：F是離心慣性力，N；G是總質量，kg；e是偏心距，m；n是轉速，r/min。

從此公式中可以得出，膨脹機在速度為29200r/min的運轉中，轉子的質量中心和旋轉的中心之間會出現偏心距變化，使得轉子的離心力產生變化。

F=G·e·n2/900=10×e×292002/900=9.5×106e， 轉 子的離心慣性力在通過機械主軸作用于軸承上，加大軸承的承受載荷，是機械的運行情況惡化。

部件平衡受到破壞會產生以下幾點嚴重后果：

（1）噪聲超標，轉子振動會通過基座和軸承傳遞至建筑物上面，惡化現場的工作環境；

（2）振動使得軸承的溫度過高、動載荷較大，軸端的密封出現磨損，損壞機組軸承和密封部件，降低設備的使用效率和壽命；

（3）轉子會出現反復的彎曲與內應力，使得轉子變得疲勞，容易造成重大的生產事故。

經過分析，斷定該轉子需要返廠進行修復，檢測合格后，才可以進行回裝工作。另外，還需對設備管道進行有效的化學清洗，清除掉管道內壁的腐蝕物質，保證設備的安全穩定運行。

4 機組工作中的注意事項

（1）機組在現場的存放和安裝中，必須將儀表、法蘭、密封氣、電氣以及水接頭進行有效的隔斷，做好重點部位的盲斷工作。防止雜質進入到機組內部，損壞設備。

（2）機組在安裝之后，長時間沒有投入運行，需要定期進行設備潤滑油系統的運行，以防轉動部件產生銹蝕，同時做好軸端的密封氣的投運工作，防止液態工質進入設備造成損害。

（3）不同環境氣候的地域中，設備的關鍵部件，應選用耐腐性較好的材料，提高機械的抗腐性，防止頻繁更換零部件出現損壞情況。膨脹機組更換故障的轉動零部件是設備的轉子，轉子要進行動平衡的試驗，會產生經濟上的巨大損失。

（4）機組的殼體需設置排凝的閥門，以防設備中存有大量液體損壞設備。

（5）加強針對工作人員的技能培訓，機械操作的工作人員應熟悉機械設備的結構和工作的原理，明確設備的工作步驟以及注意事項，防止人為操作出現的失誤使設備出現損壞。

5 結語

增壓透平膨脹機是一種高速的精密設備機械，對操作的條件和工況的清潔度有著苛刻的要求。機組的安全運行，需要保證在安裝過程中嚴格的按照增壓透平膨脹機的標準和廠家提供的使用說明書進行；操作人員要認真學習設備的操作說明書，正確的使用設備，能夠準確的判斷出設備出現的故障，保證設備的安全運行，提高設備工作的運行效率。