裂解气压缩机低压缸止推瓦瓦温高的原因分析及措施

裂解气压缩机低压缸止推瓦瓦温高的原因分析及措施

魏奕博，张海波

（兰州石化分公司乙烯运行一部 甘肃 兰州 730060）

摘要：因高转速裂解气压缩机低压缸止推瓦温度持续升高达到报警值，对机组的长周期运行带来风险。通过对机组转子轴向力的判断和计算，对润滑油油质和抗氧化性的分析，判断问题原因并解决。对于机组的日常操作和维护提出指导性意见，确保机组的可靠运行。

关键词： 高转速、轴向力、止推瓦，抗氧化性、油漆膜

1 概况及存在问题

2021年8月4日至27日低压缸止推轴瓦温度测点由正常的74.5℃持续上升至96.5℃，最高温度短暂达到了设计报警值105℃，同时伴随着轴位移监测点的缓慢上升，由0.022mm上升至0.182mm（H=±0.5mm），8月份开始上升趋势加快。问题的出现影响到机组的可靠运性，温度持续升高会造成油膜破坏，止推瓦和止推盘接触摩擦，巴氏合金磨损或脱落等问题，持续恶化可能造成转子和定子接触的严重后果。

2 轴瓦温度升高的原因分析

2.1操作运行分析

2.1.1裂解气组分分析

因实际原料组分与设计组分存在偏差（丙烷含量达不到72%以上），造成裂解气中氢气与已烷组分偏多，因此裂解气分子量始终小于设计值24.2，实际平均分子量长期保持在22左右。裂解气组份中氢气设计占比16.336%，实际为19%；乙烷设计占比4.897%，实际为8.176；组分相对较大的丙烯设计占比8.869%，实际为7.266%。因分子量变小，压缩机负荷增大，转速持续升高，最高转速达到9380rpm，各段压力也随之升高并超过设计值。

2.1.2 压力变化分析

我部乙烯装置裂解气工艺流程是两头一尾结构，分别由一套8万吨/年和一套16万吨/年裂解装置构成，两套装置裂解气经不同的压缩机加压后进入同一个分离系统，在裂解气汇合的时候会发生压力互顶的情况，造成压缩机各段压力上升。

3 压力升高对轴向力的影响分析

3.1 轴向力变化的分析判断

低压缸转子轴向力为各级叶轮和止推盘所承受的轴向力之和，每级叶轮的轴向力常用计算简化公式为：

                                     （1）

式中:为整个叶轮的轴向推力；  、分别为轮盖、轮毂直径；

、为叶轮出入口气体压力；为质量流量; 为气流轴向入口速度；

通过公式可以看出轴向力变化的因素有压缩机进出口压力、流量及流速。其中叶轮出口压力与入口压力差值越大，轴向力就越大，质量流量和气流速度越小轴向力也会越大。

根据表1数据对比可看出各段压差较原设计变化情况为：一、二段压差变大，轴向力↑和↑；三段压差变小，轴向力↓；平衡盘轴向力需根据公式（2）进行计算。

平衡盘轴向力公式：                  （2）

式中、、分别为平衡盘的外径和高、低压侧的内径 ；、分别为平衡盘高、低压侧的压力。

计算出平衡盘实际轴向力=334（kgf），较设计值=348（kgf）变化不大。    

实际运行中体积流量和分子量都减小，叶轮入口质量流量也会减小，根据公式（1）可推断因流量和分子量的变化也会造成各级叶轮轴向力的增加。

虽然上述分析可以确定每一级叶轮轴向力都是改变的，但整个轴系的轴向力变化需要通过计算来获得。

3.2 轴向推力的计算

轴向推力计算公式为：

                                                         （3）  （4）

式中：—— 相应部位直径，m；

  ——叶轮进、出口气体绝对压力，Pa；

  ——叶轮进、出口气体密度，；

 ——叶轮轮盘、轮盖两侧空腔中的气体密度， ；可取                    

  ——叶轮出口气体速度，m/s；

  ——气体质量流量，；  ——叶轮进口气体绝对速度，m/s；

根据计算可得，分别代表一/二/三段轴向力，代表止推盘处轴向力。测算结果见表1。

表1   轴向推力核算结果

根据计算结果来看轴向力没有明显的变化，止推轴承的比压也很低（标准为大不于25（kgf/cm2）），故排除了因组分变化造成各段压力升高对轴向推力的改变，止推轴承温度升高不是因为段间压力变化造成。

4 润滑油油质分析

本单位裂解气压缩机使用昆仑牌L-TSA46汽轮机油，每月定时进行常规分析，分析结果均正常。在问题发生后立即对油品进行全面分析，分析结果见（表2）。

根据分析结果对润滑油抗氧化性进行分析。经和新油进行数据对比，抗氧化指标旋转氧弹数据由出厂的323min下降至263min，油品的抗氧化性在下降。机组抗氧化指标的下降势必造成轴瓦表面形成的楔形油膜减薄、刚度上升、局部温度点高，形成油漆膜的机率增大。                                

漆膜的产生是一个复杂的过程，油液“微燃烧”造成漆膜生成是其中一种情况。一般情况下，润滑油会溶解一定量的空气（<8%），当超过溶解极限后，进入油液的空气以悬浮形式存在油液中。一旦润滑油从低压区进入高压区，这些悬浮在油中的小气泡被急剧压缩，导致油液微区温度迅速升高，有时甚至高达1100℃，造成油液微区绝热“微燃烧”，生成极小尺寸的氧化物。随着润滑油的抗氧化性不断恶化，氧化物不断生成并开始聚合，逐渐产生可溶的、有极性的、软性污染物（抗氧化剂及基础油的降解物）并融于润滑油中。在特定的温度和压力下它的浓度达到饱和，就会析出到轴瓦表面形成漆膜。漆膜的形成会增加轴承摩擦，使轴瓦温度上升。

压缩机中止推瓦是固定的，压缩机转子在主副止推瓦之间移动，如果当瓦块表面出现漆膜时，油膜的压力通过止推盘将整个转子向透平方向移动，使得机组的轴位移不断增大。这点和低压缸止推瓦温度、位移同步变化的趋势相吻合。

通过上述分析可知，低压缸止推瓦瓦温高的原因是因为润滑油抗氧化性能下降，机组在高速旋转过程中，轴瓦表面形成漆膜，导致瓦温不断升高。

5 解决措施与现状 

5.1 改善润滑油的品质

改善润滑油品质最有效的措施就是更换润滑油，更换润滑油不仅保证抗氧化性，同时还会降低氧化物的饱和度，有助于漆膜的溶解。先后对润滑油进行了两次在线更换，每次更换5.1t（油箱约10t），更换后止推瓦温度迅速下降2~3℃，瓦温趋于平稳，稳定在90~100℃。

5.2 对生产进行调整

一是在确保轴瓦温度正常的情况下，通过对裂解炉的负荷及裂解深度调整实现压缩机负荷的降低；二是利用另一套装置炉子烧焦机会，降低压缩机的背压，通过背压的变化改变漆膜受压，使其在交变载荷的作用加速冲刷和析出。

11月12日至13日先后进行裂解炉退炉烧焦和投炉工作，在裂解气并入管网时压缩机出口压力由3.471Mpa上涨至3.575Mpa，压缩机止推瓦轴位移出现大幅波动，由0.187m变化到-0.122mm，温度从102℃下降到69℃，后逐渐恢复到0.167mm，温度恢复到95℃。在随后的半个月时间里，压缩机低压缸轴位移持续下降，止推瓦温度也同步出现持续下降的趋势。11月26日数据轴瓦测温点分别是67℃和70℃。

由于背压的变化造成轴位移的突变，同时破坏了原有油膜的平衡，在新的环境下，漆膜不断冲刷、析出和溶解，温度也随之开始持续下降，恢复到正常。

结论：裂解气压缩机机组低压缸止推轴承温度升高的主要原因是高转速和高负荷下，润滑油抗氧化性持续衰减，形成的氧化物附着于轴瓦和止推盘等金属表面。氧化物的不断附着，形成的漆膜不断变厚增加了轴瓦摩擦，使轴瓦温度持续上升。通过对润滑油的置换、润滑油压力和温度的调整、机组负荷的调整，使已形成的漆膜不断析出溶解，甚至被冲刷脱落，问题得到了解决，对于后续机组的润滑管理有借鉴意义。