103-JT合成氣壓縮機(jī)組高壓透平調(diào)速閥故障分析
某大型合成氨裝置新購置一臺高壓蒸汽透平，用于驅(qū)動合成氣壓縮機(jī)。在壓縮機(jī)組重新啟動開車時(shí)，調(diào)速閥先后3次出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響了整個(gè)合成氨裝置的正常運(yùn)行，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。通過對蒸汽透平調(diào)速閥故障現(xiàn)象的分析、探討，找出高壓蒸汽透平調(diào)速閥故障的原因，提出了消除高壓蒸汽透平調(diào)速閥故障的整改措施，為今后診斷和消除類似故障是一個(gè)有益的啟迪。
某大型合成氨裝置中合成氣壓縮機(jī)(位號：103-J)是合成氨裝置的關(guān)鍵設(shè)備，由單缸、反動式抽汽凝汽式蒸汽透平驅(qū)動(蒸汽透平位號103-JT)。蒸汽透平的具體參數(shù)如下：
進(jìn)汽壓力(正常/最大)：10.1/10.3MPa(a)
進(jìn)汽溫度(正常/最大)：440/455℃
進(jìn)汽流量(正常/最大)：274/295t/h
抽汽壓力(正常/最大)：3.92/4.22MPa(a)
抽汽流量(正常/最大)：220/244t/h
工作轉(zhuǎn)速(正常/最大)：10423/10872r/min
功 率(正常/額定)：17738/20429kW
機(jī)組采用兩側(cè)全周進(jìn)汽且上排汽的結(jié)構(gòu)。透平徑向軸承為五塊可傾瓦軸承，止推軸承為金斯伯雷型。
1、調(diào)速閥故障現(xiàn)象及處理措施
在合成氨裝置開車初期，由于種種原因裝置的負(fù)荷只能在85%~90%范圍內(nèi)運(yùn)行，這時(shí)對應(yīng)透平轉(zhuǎn)速為10030~10040r/min。2009年，裝置滿足全負(fù)荷運(yùn)行條件，透平開始升速，打開全部調(diào)節(jié)閥，即調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)透平轉(zhuǎn)速僅為9893r/min，達(dá)不到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速10423r/min。于是裝置停車檢修，對103-JT透平調(diào)速閥解體檢查，發(fā)現(xiàn)調(diào)速閥第4個(gè)調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂(正常閥頭與閥桿是螺紋連接，并用銷釘鎖死)。調(diào)節(jié)閥閥頭位置及斷裂情況見圖1~3。
圖1 閥桿部分凸出閥梁部分凹進(jìn)閥梁
圖2 閥桿
圖3 閥頭
在對斷裂的調(diào)節(jié)閥整套閥梁組件更換后(圖4所示)，裝置再次開車對103-JT透平進(jìn)行加負(fù)荷提速實(shí)驗(yàn)，當(dāng)調(diào)速閥閥位由76%開至95%時(shí)，透平轉(zhuǎn)速變化僅為40r/min，最高僅為9910r/min。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。
圖4 第一次更換的整套閥梁組件
表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
于是裝置再次停車，對103-JT透平調(diào)速閥解體檢查，發(fā)現(xiàn)4#調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂、閥頭脫落，斷裂情況見圖5~6。
圖5 斷掉的閥桿
圖6 閥桿橫斷面
于是又采取的措施是改造閥梁組件(圖7所示)，閥梁兩端的橫斷面改為弧線形，4#閥頭的行程由原設(shè)計(jì)27.0±0.30mm，改為17.0±0.30mm(即3#、4#閥頭同時(shí)開啟)。
圖7 第二次更換的閥梁組件
更換新型閥梁組件后，裝置再次開車，調(diào)節(jié)閥全部打開，103-JT透平轉(zhuǎn)速最高升為9366r/min后不再繼續(xù)升速，還是沒有達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。于是再次停車對103-JT調(diào)速閥組件解體檢查，發(fā)現(xiàn)東側(cè)的調(diào)速閥提干斷裂，西側(cè)的調(diào)速閥提桿彎曲，調(diào)速閥桿閥頭完好。情況如圖8，9所示。
圖8 正常閥桿
圖9 斷裂的閥桿
2、調(diào)速閥故障分析及措施
透平調(diào)速閥的結(jié)構(gòu)大體有以下三種，即閥桿是全部凸出閥梁的、閥桿部分凸出部分凹進(jìn)閥梁和閥桿全部凹在閥梁內(nèi)。103-JT透平調(diào)速閥采用的是部分凸出部分凹進(jìn)閥梁結(jié)構(gòu)。
由于103-JT透平調(diào)速閥采用的是部分凸出和部分凹進(jìn)梁結(jié)構(gòu)，使得透平升速過程中各閥頭閥桿受力不均勻。103-JT閥梁組件共有4個(gè)閥頭(具體分布見圖1)，其中1#、3#閥桿凹進(jìn)閥梁，2#、4#閥桿凸出閥梁。正常運(yùn)行時(shí)，4#閥頭是最后開啟的，此時(shí)透平進(jìn)蒸汽量最大，閥頭部分受力最大，閥頭受力約5t，致使閥頭與閥座緊密結(jié)合，凸出閥梁的閥桿受氣流沖擊力，產(chǎn)生振動或擺動，使閥桿與閥頭螺紋連接處受到橫向交變力，導(dǎo)致閥桿斷裂。
同時(shí)，在分析103-JT透平調(diào)速閥4#閥頭故障原因時(shí)，也對其他同規(guī)模合成氨裝置類似條件下運(yùn)行的機(jī)組透平4#閥頭組件進(jìn)行了分析比較，發(fā)現(xiàn)盡管機(jī)組透平調(diào)速閥閥桿也有采用凸出閥梁結(jié)構(gòu)的，但采用凸出梁結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥閥頭閥桿直徑一般較大，而且閥桿與閥頭是整體鍛造結(jié)構(gòu);而103-JT透平閥桿直徑較小，剛性自然較差，承受側(cè)向氣流沖擊力的能力較小，且閥頭與閥桿是螺紋連接的分體式結(jié)構(gòu)。
改進(jìn)措施：通過上述分析，認(rèn)識到103-JT透平調(diào)速閥4#閥頭多次出現(xiàn)斷裂的原因，改進(jìn)閥頭組件的結(jié)構(gòu)(圖10所示)，加大各閥頭閥桿的直徑，從原來的33mm增加至42mm。整改后裝置再次開車，機(jī)組最高轉(zhuǎn)速達(dá)到10166r/min，裝置負(fù)荷為93%，此時(shí)4#閥頭全部處于開啟狀態(tài)，機(jī)組運(yùn)行良好，調(diào)速閥組件狀況良好。
圖10 改造后的第4#閥頭組
3、結(jié)論
103-JT高壓蒸汽透平調(diào)節(jié)閥故障主要原因是閥頭組件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)缺陷造成。103-JT透平調(diào)節(jié)閥是引進(jìn)國外技術(shù)、國內(nèi)消化吸收后自行設(shè)計(jì)制造的。希望在今后的技術(shù)引進(jìn)及消化過程中，要開展大量艱苦、細(xì)致的工作，要知其然更要知其所以然，在熟練應(yīng)用國內(nèi)外各種設(shè)計(jì)計(jì)算軟件的前提下，不斷開發(fā)研制大量先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的安全可靠性，否則用戶將付出慘重的經(jīng)濟(jì)和安全代價(jià)，給整個(gè)社會造成極大的浪費(fèi)。
