芳烃异构化汽轮机转子断裂原因及应对措施研究

宁飞升 郭鸿飞 高 飞

（中石化洛阳分公司，河南 洛阳 47100071000）

1 芳烃异构化汽轮机转子断裂事故经过

1.1 机组简介

18K01是异构化循环氢压缩机，循环介质为氢气，由日本三菱公司制造。压缩机为径向剖分式多级筒形离心式压缩机。其驱动机为汽轮机，型号为：CL-216，设计为背压式，采用水平剖分式机壳，两级叶轮，使用3.5Mpa中压蒸汽驱动，背压为1.0MPa蒸汽。

1.2 机组故障经过

18K01正常运行时偶有振动，联轴器端径向振动值18VI272X和18VI272Y在4μm左右，非联轴端径向振动值18VI271X和18VI271Y在13μm左右，轴位移18ZI271A在0.025mm左右，18ZI271B在0.075mm左右。2月14日13∶30分左右，轴振动开始加剧，15∶00左右达到最高值（见表1），15∶17汽轮机停车，整个过程蒸汽温度、压力变化不大（见表2），轴承温度部分上涨至63.5℃（见表3）。后经过各诊断人员联合确认机组又进行了两次开机实验，但每次机组都有剧烈振动，因此车间决定对机组进行隔离抢修。2014年2月15日7∶00，三隆公司开始拆除压缩轴瓦、联轴器。16∶00机组解体完毕，发现转子断裂，断裂部位位于径向轴承和前汽封中间位置（见图1、图2）。

表1 机组振动位移的对比

表2 驱动蒸汽的压力、温度对比

2 异构化汽轮机转子断裂原因分析

①转子材料存在成分偏析或冶金缺陷，在使用条件下，由于疲劳和蠕变交互作用在缺陷处产生裂纹，继而扩展至断裂。

表3 轴瓦温度对比

图1 断轴位置

图2 断口部位

②机组长时间不间断运行已接近15年，2005年装置节能改造后，因异构化催化剂更换，需降低氢油比，压缩机降转速运行（6 250rpm），距离临界转速（5 800rpm）较近，长时间运行一定程度加剧了转子疲劳，转子表现为疲劳断裂。

③蒸汽温度、压力时有波动，造成转子疲劳损伤，最终扩展至断裂。

④汽轮机检修安装时转子表面被刮伤。

⑤在开停机过程中机组启停速率过快，转子上产生很大的热应力变化，在交变应力的作用下转子产生低循环疲劳裂纹，裂纹慢慢变长，最后转子断裂。

3 预防汽轮机转子断裂安全技术措施

①振动是机组运行状况是否平稳的重要指标，大多数有振动监控的设备发生事故都会在振动上表现出来，因此，要求振动超限跳闸保护必须正常投用，充分发挥联锁保护的作用，才能确保机组的安全、稳定运行。

②机组每次打开检查维修，必须进行转子表面和中心孔探伤检查。高压、高温段处应力集中，这些部位可以进行金相和探伤检查，另外酌情在不影响转子安全的部位进行硬度试验。对汽轮机转子易遭受疲劳和蠕变损伤的部位，应加强裂纹的监督检查[1]。

③尽量减少机组的启停次数以减少疲劳损伤，尽量减缓机组启停速率，降低启停过程中的温升、温降速率以降低热应力。

④稳定汽轮机运行，使振动减少至最小。

⑤避免水和冷蒸汽进入汽轮机，以免引起转子弯曲变形。

4 汽轮机转子的运行监督措施及应开展的工作

转子裂纹发生的概率比其他故障小，但是由于能产生转子裂纹的潜在因素很多，因此要对转子加强监督检查。

4.1 汽轮机转子的运行监督

我单位旋转机械设备占80%，如汽轮机、离心机、机泵、风机等。在日常生产中，我们会经常遇到因剧烈振动导致切换设备，甚至无法正常生产，然而引起振动的因素却很多，其中错综复杂，仅靠用耳朵，用眼看，用手摸等过时的方法，很难全面准确的判断故障的原因。引进先进的状态监测以及诊断技术监控设备，通过振动检测记录分析各类转动设备在一个检修周期的运行状态，从事设备技术人员可以掌握一套完整的设备运行状态资料。根据这些资料进行数据分析，能准确判断故障的原因，从而避免因突发性设备故障而造成经济损失，确保生产的顺利进行[2]。

4.2 开展汽轮机转子安全性评定与寿命评估

对存在超标缺陷的转子，应该采用断裂力学的方法对缺陷进行评估；对没有发现超标缺陷的转子，对其开展疲劳-蠕变损伤的研究。通过对转子的安全性评定和寿命估算，进而指导汽轮机的安全运行。

[1]杨国安.旋转机械故障诊断使用技术[M].北京：中国石化出版社，2012.

[2]李益民，杨百勋，史志刚.汽轮机转子事故案例及原因分析[J].汽轮机技术，2007，49（1）：66-69.