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压缩机级间冷却器泄漏研究王俊宜

发表时间：2020/6/11 来源：《基层建设》2019年第34期作者：王俊宜

[导读] 摘要：空气压缩机组是空分装置的重要部分，它是一种用以压缩大气气体的动力设备，与水泵的构造是比较相似的。

        郑州飞机装备有限责任公司河南郑州 450005
        摘要：空气压缩机组是空分装置的重要部分，它是一种用以压缩大气气体的动力设备，与水泵的构造是比较相似的。大多数空气压缩机是旋转螺杆，旋转叶片，或者往复活塞式。炼厂气压缩机在运行过程中，压缩机一级排气冷后温度出现持续上升，停机后检查发现水冷器出现多处泄漏。经过分析，确定循环水流速低导致循环水侧结垢，进而产生垢下腐蚀和氧腐蚀，是导致水冷器泄漏的主要原因。
        关键词：压缩机；垢下腐蚀；冷却器泄漏
        引言
        当空气压缩机正常工作时，由空气过滤器吸入大气空气，然后经过进口导叶自动调节后，空气进入一级压缩，在大气经过一级压缩后，气体的温度会变得较高。然后需要对高温空气进行冷却，这就需要空气从一级压缩进入到中间冷却器，经冷却后的空气进入到压缩机的二级压缩系统，然后再由一级后冷器对从二级压缩器中出来的高温空气进行二次冷却，然后再把冷却好的空气排进排气主管道。制氢装置炼厂气压缩机在运行过程中，压缩机一级排气冷后温度出现持续上升，停机后检查发现，水冷器出现多处泄漏。
        1增压机级间密封泄漏的优化目标及内容
        1.1 优化目标
        空分系统所设计制氧量为28000Nm³/h，系统运行后后，氧气量最高只能达到26500m³/h；根据压缩机运行情况，对压缩机组进行性能测试；测试结果显示，增压机二段排气量不足，从而引起氧气产量的不足。因此确定了如何减少级间串气，减少气体损失，从而提高增压机的排气量作为本次的研发目标[1]。
        1.2 优化内容
        改造机组级间、段间密封，用新设计的可接触碳环密封来替代原来使用的梳齿密封方式，并且更换级间密封[2]。这样可以达到减少级间串气，以及减少损失气体的目的，这样不仅仅是提高了增压机的最大排气量，而且可以达到改变机组运行效率的目的。
        2故障现象
        2019年12月17日上午11点20分，装置操作工发现K111A二级排气温度超过报警值（120℃），约20分钟后，排气温度达到134.5℃。经检查，K111A二级排气温度是随二级进气温度升高而快速上升，二级进气温度从10点钟的54℃，两小时内升到74℃，升高了20℃，在此过程中，一级排气温度稳定无变化。2019年6月，K111A首次启机运行，至2019年12月17日，K111A运行约100天。对12月K-111的一级排气温度、二级进气温度和二级排气温度进行数据统计，发现从10日开始，二级进气温度就开始缓慢上升，从49℃逐步上升到52℃，直至17日10点20分后急速上升。经过分析，初步判断E-112A可能存在管束漏点微漏，且在17日该换热器的泄漏量增大，从而在E-112A换热器内出现气堵现象，导致温度升高。
        3密封改进原理
        压缩机级间密封主要是用迷宫密封来实现，把很多很多个环形密封齿一次排列，设在转轴周围，密封齿与密封齿之间会形成很多很多的截流间隙和膨胀空腔，当被密封的介质在通过截流间隙和膨胀空腔的间隙时，外散速度会明显减弱，这就产生了节流效应，从而达到了密封和阻漏的目的。迷宫密封不需要润滑，迷宫密封没有固相摩擦，它特别适合于高速、高温和高压的环境，也是大尺寸密封的优先选择，迷宫密封是非接触密封。由于迷宫密封不需润滑，也不是接触密封，并且在转子和机壳间存在了很多间隙，并允许有高温高压、允许有热膨胀，并且特别适应高转速频率的场合，所以，燃气轮机、鼓风机、汽轮机和压缩机的轴端和级间的密封，都特别的适合使用这种密封形式，或者也可以把迷宫密封作为其他的动密封的前置密封。
        4冷却器拆检情况
        拆检前，对运行的E-112B换热器进行流量测量，测量结果显示，DN150的循环水管的流量仅为11.45m3/h，主管路流速为0.1m/s,折算为管束内流速为0.11m/s。安排对E112A进行了拆检，管束循环水侧总体情况见图1，管板及管箱内结垢严重。从局部来看，垢物呈红褐色鼓包，内里为黑色腐蚀产物，清除掉垢物后可见金属表面存在腐蚀坑。现场对几处垢物鼓包进行清理，均可见黑色腐蚀产物。

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管束清垢后，对E112A进行了拆检试压，共发现5根管束泄漏及一处管子管板焊缝穿孔泄漏，对泄漏的管子进行了堵管处理。
        5泄漏原因分析
        查询水流速测定记录发现，6月该设备循环水流速为0.34m/s，12月18日测量数据为0.1m/s，按防腐要求来说，远小于0.9m/s的建议流速，极易使循环水侧发生结垢。查询水冷器月度检查表发现，11月该级间水冷器E112A月度检查结果如下：上回水温度差32.1℃，温差很大；18日，在切机过程中，检测上回水温度分别为：上水22℃，回水62℃，温差40℃。循环水温度较高，更容易结垢。E112A壳程介质为脱硫后炼厂气，含有少量硫化氢，管束采用20#钢，循环水侧未采取防腐措施。从设备运行情况来看，工艺介质腐蚀性不强，20#钢可以满足当前工况下的防腐要求；循环水流速低并且回水温度高，会导致循环水侧产生严重结垢，进而产生垢下腐蚀[3]。根据垢样分析结果可以看出，腐蚀产物中的黑色粉末层是铁的氧化物，垢样主体为Fe2O3，达到90%左右，而CaO含量仅为3%，判断该换热器应为循环水侧垢下腐蚀。循环水系统采用敞开式循环冷却方式，金属受水中溶解氧的腐蚀是一种电化学腐蚀，由于金属的电极电位比氧的电极电位低，金属成为电池阳极遭腐蚀，氧是阴极，进行还原，反应式如下：
        阳极过程：Fe→Fe2++2e-
        阴极过程：1/2O2＋H2O→2OH-
        在冷凝器等热交换器的碳钢面板上的黄褐色或砖红色的鼓包和鼓包里面的黑色粉末状物，都是腐蚀产物。当将这些腐蚀产物清除后，便会出现因腐蚀而造成的陷坑。出现这种现象的过程如下：当铁受腐蚀后生成Fe2+，它与水中的氧进一步反应，生成黄褐色的结构疏松的Fe(OH)3二次产物层：
        4Fe(OH)2＋2H2O＋O2→4Fe(OH)3
        Fe(OH)3易分解生成Fe2O3。由于腐蚀产物的阻挡，水中的溶解氧到达这个腐蚀点的速度减慢，形成腐蚀点四周的氧浓度大于腐蚀点的氧浓度，这样，腐蚀点的四周便成为阴极，腐蚀点本身成为阳极，腐蚀继续进行。此时，腐蚀产生的Fe2+通过疏松的二次产物层向外扩散，当它遇到水中的OH-或O2时，便又产生新的二次产物，积累在原有的二次产物层中。所以二次产物层越积越厚，形成鼓包，鼓包下面越腐蚀越深，形成陷坑[4]。由于水垢沉积等造成的腐蚀，由于水的对流不畅使氧贫化，也会造成类似的腐蚀。换热管内壁会因水垢和黏泥的附着而呈不均匀性态，形成氧浓差电池，致使覆盖物下的金属表面形成点蚀或孔蚀。当垢下腐蚀发生导致泄漏后，介质侧的湿H2S腐蚀会导致腐蚀加剧。通过这种连续性的反应，急剧加大了换热管的腐蚀速率，坑蚀比较明显，在短时期内换热管就会腐蚀穿孔而失效。
        6结论和建议
        综合以上分析，循环水流速低导致循环水侧结垢，进而产生垢下腐蚀和氧腐蚀，是导致水冷器泄漏的主要原因，针对以上情况，提出以下建议：对该组换热器提高其进水流速，优化工艺条件，因为工业循环冷却水处理设计规范GB/T50050-2017中规定，循环水管程流速应大于1.0m/s，类似这种物料温度过高以及流速过低的换热设备，水处理剂的作用也是十分有限的。E112处于装置循环水管网的末端，要通过增加循环水进装置总量，同时，对其他水冷器进行调节以提高该处循环水流速。如不能改善，建议在循环水管道上增加反冲洗口，定期进行反冲洗操作。工业循环冷却水处理设计规范GB/T50050-2017中还规定，当被换热介质温度高于115℃时，宜采取热量回收措施后再使用循环冷却水冷却，避免高温物料对换热材质的腐蚀和结垢影响。E-112冷却器中换热介质就正常操作温度为115℃，对此在设计上也要考虑采用相关的防腐措施。
        参考文献
        [1]宋乐平,周毅,朱涛.发动机机油冷却器泄漏分析及改进[J].内燃机与动力装置,2017,34(06):44-47+64.
        [2]周家成,周琳,张道君,古红星,周尖.乙烯装置碳三加氢反应器冷却器泄漏原因分析及对策[J].中国设备工程,2017(17):115-117.
        [3]张明,江志农.基于多源信息融合的往复式压缩机故障诊断方法[J].机械工程学报,2017,53(23):46-52.
        [4]彭斌,朱兵国.涡旋型线对涡旋压缩机性能的影响[J].流体机械,2016,44(06):17-23+60.