小型透平膨胀机机械故障原因分析及处理

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. M! K2 {. L8 F$ L摘要：介绍Q303A制动风机叶轮松动故障产生的原因和处理方法及设备运行中应注意的问题，并对如何保证透平膨胀机长期稳定运行提出了较为实用的解决办法。
; z1 g" w' C% J关键词：透平膨胀机；防松装置；转子动平衡精度；间隙；运转
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   PLN-6／4-0．25型透平膨胀机(厂家代号0303A)系哈尔滨制氧机厂KZO-50型空分设备(厂家代号1K015A)的配套主机之一。具备所有静压气体润滑透平膨胀机(以下简称膨胀机)共有的特性，尤其启动性能极佳。该套空分设备于1992年5月开始安装，12月正式投产，至2000年5月底，分馏塔加温30余次，膨胀机却从未取下拆检。6月3日膨胀机声音异常紧急停车，折检发现风机叶轮防松螺母松动，因未及时发觉，导致风机叶轮叶片磨损过大而报废，酿成整个空分设备停产近一个月的重大损失。
1 故障现象与经过
    1998年7月14日11时，膨胀机转速表突然失灵，转速指示从67000r／min降至30000r／min左右，指针有时在0~30000r／min之间来回摆动，但膨胀机未发现异常声音。由于氧气供应相当紧张，运行人员未紧急停机，技术人员也认为是转速表本身故障，未要求拆检膨胀机。由于膨胀机运行声音、膨胀前后温度、膨胀前后压力均正常，在转速表指示失灵的情况下，膨胀机一直在运行。
    2000年6月1日7时，运行人员听见膨胀机运转声音不正常，立即停车，外观检查发现风机端盖过热。 8时30分，技术人员拆开风机端盖进气法兰，通人0．6MPa的轴承气，通过风机端盖对转子起浮情况检查良好，测量转子与中间体外壳的电阻值无穷大，风机叶轮转动也正常，就认为膨胀机不存在问题。设备重新启动后，膨胀机运行无异常。6月3日9时，运行人员发现膨胀机运行声音异常，风机端盖发烫，随后紧急停车。拆检膨胀机发现：风机轮叶片全部磨损(减少2~2．5mm)，风机端盖有明显的摩擦痕迹，风机轮压紧螺母可活动而丧失紧固作用，磁电传感器线圈颜色发黑，轴承及转子也有轻微的摩擦痕迹，膨胀叶轮一叶片根部有6mm的径向裂纹缺陷。
. \% p; D5 c7 T2 故障原因分析及判定方法
. D1 |' r- A1 K& b    转速表指示失准，一般有两种原因：一是因膨胀机本身故障造成转速表指示异常，这种情况往往伴随着膨胀机有严重的异常声音；二是磁电传感器故障所致。
    磁电传感器安装在制动风机的端盖中间，由两块绕有线圈的永久磁铁组成，利用磁电感应原理，如果线圈对地短路或内部受潮绝缘被破坏，转子转动时切割磁力线产生的感应电流出现变化，造成测量转速不准。可用兆欧表测量线圈接线对地电阻及绝缘程度，以作出准确的诊断。
( g/ `: J* n. _    膨胀机转速表在0~40℃环境温度下能正常工作，温度过低或过高均对转速表测量不利。在分馏塔加温时没有取下膨胀机，即使在风机排气放空阀关闭的情况下，由于冷吹阶段空气的温度远低于0℃，加温后期的空气温度又高于40℃，这两种温差较大的气体长时间充满风机系统，磁电传感器线圈受影响最大，多次进行加温，就会产生线圈受潮不绝缘、对地短路的故障，在这种情况下转速表指示会迟钝且低于实际转速。
1 S' k$ |, I% k: M, \    转速表本身发生故障的情况十分少见。在转速表指示失准的情况下，可先判断是否因机械故障所致，应拆下膨胀机进行检查。如机械系统无异常，可凭经验进行操作，转速显示偏低，不必担心膨胀机因转速超高而自动停车，造成分馏塔上塔压力上升进而威胁分馏塔的安全。可在保证膨胀机前后压力、温度处于正常范围内维持运转。
/ F) ?7 }$ K5 G9 e: r  P. H7 |    风机轮叶片与风机端盖的严重摩擦，是导致风机轮损坏的直接原因。这种故障只有在风机轮螺母明显松动的情况下才会发生。螺母一般都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱。但是，在冲击、振动和变载荷的作用下，或在测试变化较大的环境下工作时，螺纹间的摩擦力可能在某一瞬时消失或减小，这种现象的多次重复，就会使螺纹联接逐渐松动。为防止螺纹联接松动造成膨胀机工作不正常或发生严重事故，风机轮与转子间的固定采用螺母和止动垫片结合的机械防松装置，膨胀叶轮的螺母与转子采用长细牙螺纹联接，以满足其长期运行的技术要求。
5 {# c- P$ B5 Y    风机轮压紧螺母与转子采用粗牙螺纹联接，其 自锁性较差。加温时膨胀机未取下，其螺母受温差变化的影响，会热胀冷缩。虽有止动垫片制约，由于加温多次，其松动仍不可避免。当风机轮与端盖的间隙完全消失就会发生摩擦，其结果是膨胀机运转声音异常，风机端盖发烫，漆色改变，风机轮叶片磨损严重，转子失去动平衡。转子与轴承之间的摩擦同样会产生。膨胀机出现严重机械事故，就直接导致整套空分设备的停运。
3 故障的处理方法
    膨胀机拆检后，确认风机轮、工作轮报废。两个轴承镶套内衬因出现裂纹、松动的严重缺陷，且间隙0．06mm，可靠性降低而不能使用。自购回备件进行组装，在无负荷试车时，当轴承气压力升至0．2MPa时进行转子悬浮试验，测量转子与外壳体的电阻值无穷大，悬浮性能良好，但无法进行启动。详细情况是：在做好膨胀机启动的各项准备工作后，当上塔压力达0．4MPa时，开启通—2阀的，瞬间，膨胀机内出现“啪”的一声撞击，发生卡机事故，紧急停车。拆检发现：风机侧轴承限位板4个固定螺钉全部断裂，轴承镶套内衬与转子有严重摩擦痕迹。反复装配数次，悬浮转动均正常，但撞击、卡机现象无法消除，试车被迫中断。通过对故障认真的分析，确认是更换风机轮、工作轮后，转子整体动平衡重心偏移量过大所造成。在这种情况下，不可草率地判断为轴承与转子之间的间隙过小所致，扩大其间隙，只会造成轴承的报废。
    在没有高精度的动平衡条件下，轴承和限位板的固定螺丝的破坏程度也愈严重，还有可能使转子产生轴向变形，在这种情况下，上塔0．4MPa压力的气体能量高速作用于工作轮，必然使转子产生向风机一侧位移，这种位移产生的突发撞击力，导致风机侧固定螺丝径向断裂。送到厂家进行处理，膨胀机转子动平衡经厂家校验合格后，装机试车一次成功，启动液化非常顺利。
; |& t- e9 i# p" [    膨胀机每次就位时，一定要注意本体的轴向水平度和横向水平度应符合长期运转的要求，严格对膨胀机进行悬浮试验。悬浮试验合格后，再进行负荷试验，启动后应逐渐提高转速至正常转速。确认达到要求后才可投入使用，以保证运转的可靠性。
. X% Z1 x, X4 Z9 u9 c& ^4 机械故障的预防
    分馏塔的操作和调整均可引起膨胀机技术参数 的改变，两者之间的关系十分紧密。为了防止机械事故的发生，在启动前除按照技术说明书的要求外，还应注意做好以下准备工作：
    (1)在压力达1MPa时，轴承气压力应调整在0．5MPa，以保证热交换器压力在1．4MPa时，轴承气压力达到0．6MPa。
    (2)防止在启动膨胀机时转速超高，全关膨胀机后污氮放空阀，节-3阀开3／12转。
    (3)轴承气压力表绿针调至0．3MPa，红针调至0．5MPa，确保启动、停车控制电路正常工作。
) w! m$ T5 e8 W    膨胀机在出现紧急情况时，操作人员必须正确果断地进行处置，否则就会酿成责任事故。当膨胀机因超速自动停车时，膨胀机进口阀通—2会立即关闭，应迅速开大污氮旁通节流阀节—3，再按启动按纽，可重新启动；在活动节流阀刮霜和切换纯化器时切断加热器气源时，应观察转速指示表，防止超速；当因轴承气压力过低自动停车时，应稍开节—3，关小液空调节阀节—2，当压力达到要求后再重新启动；当紧急停电时，应迅速关闭节—2、通—2、节—3，在完成这些动作后，再开分馏塔高压放空阀。不论是正常停车还是紧急情况下的特殊停车，切记不要首先开大高压空气放空阀，以维持轴承气压力，为有步骤的停车争取宝贵时间。在操作和检修的整个过程中，应将预防膨胀机卡机和工作轮、风机轮摩擦的机械事故作为设备管理的主要目标进行考核。
    对膨胀机相关管路进行适当的改进，可使操作更加简单实用。原风机蜗壳设计用水冷却，会产生水垢，形成堵塞，冷却效果变差，有时还会出现水分渗漏至风机内部。可取消冷却水冷却，将放空的轴承气引入蜗壳内进行冷却，效果甚佳。风机制动气全部直接放空，拆除风机排气进加热器管路，可有效地减少和防止切换纯化器时的误操作。
8 C2 l; p% T7 K$ T    对膨胀机工作轮和风机轮防松螺母的检查应半年进行一次。在分馏塔进行加温时是检查的最佳时机。在膨胀机正常使用的过程中，防松螺母的检查对事故的预防极其重要，而这种检查又非常简单，机身不用解体，只需用两把扳手反方向作用于工作轮螺母和风机轮螺母，将其扳紧即可。
5 q0 V# ^: _) }    在取下膨胀机时，由于蜗壳内温度很低，导流器有可能取不出来，为了防止加温时开启通—2，塔内温度上升，其加温空气压力将导流器吹出砸向地面而损坏叶片，可自制盲板与中间体法兰相连(盲板见图1)，可保证I、Ⅱ热交换器膨胀后污氮隔层的加温和导流器完好的需要。
7 C1 U  m( V, K: H+ @5 运行与检查
    膨胀机正常运行必须同时具备四个要素：
    (1)有高度清洁、压力平稳、连续供应的轴承气。
9 G) X" b3 n& `$ K    (2)各部位间隙在规定的技术要求范围内，转子与其它部件不能出现任何摩擦。
3 q' }7 b! b$ f/ ^$ o    (3)高质量的动平衡精度。
4 {6 ?. t' B5 v    (4)工作轮、风机轮防松螺母必须紧固。
    四个要素是一个有机的整体，互为条件，互相影响，缺一不可。其中轴承气、间隙是可以调整的，而动平衡精度、防松装置的可靠性在设备出厂时已确定，具有不可更改的性质。膨胀机虽有运行平稳、故障率较低的特点，但在思想上绝对不能松懈。在运行中要根据表1、表2的技术参数经常进行巡检，发现异常及时采取有效措施，将事故消灭在萌芽状态。
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7 D2 z9 r( N: o8 H, q/ [表1 膨胀机正常运行时主要部位的技术参数

部位名称	技术数据(要求)
启动前通-2开度	手动2~3转(阀杆移位2~3mm)
运转正常后通-2开度	缓缓开启，阀杆移位10~20mm
转子与轴承(轴承气排 出口)	无摩擦声，无杂音，无铜石墨粉末喷出，无振动，中间体外壳温度≤35℃，并低于风机端盖温度
风机端盖外壳	温度≤35℃，无摩擦声
风机蜗壳	声音平稳，温度60℃~75℃
中间体与分馏塔连接法 兰及绝热板	无气体泄漏，无结冰现象，无螺母松动，内部无杂音
转速指示	62600~69500r／min，指示稳定，调节灵活，无摆动现象

% ?3 _7 i0 `- Y    在启动阶段，由于塔内温度高、压力高，膨胀机转速也高，在切换纯化器时，转速也会发生变化。为了有效地防止因转速超高导致膨胀机停车的危险，可改变转速表设置的停车转速，将设计的70000r／min提高到75000-80000r／min比较合适。
表2 膨胀机正常运行时的主要技术指标

项 目	技术指标
轴承气压力	0．5~0．65MPa
膨胀前压力	0．38~0．45MPa
膨胀后压力	0．023~0．037MPa
转速	62000~68000r／min
分馏塔启动压力(高压)	1．35~1．47MPa
分馏塔工作压力(高压)	1．18~1．3MPa
膨胀前污氮温度 (液氧泵正常工作前)	-125℃~-130℃
膨胀后污氮温度 (液氧泵正常工作前)	-165℃~-172℃
膨胀前污氮温度 (液氧泵正常工作后)	-147℃~-157℃
膨胀后污氮温度 (液氧泵正常工作后)	-180℃~-187℃

, }- A- `+ ~( R2 u2 v    膨胀机一般情况下是不需要维修的，可利用分馏塔加温的有利时机，根据表3、表4的内容和要求对膨胀机进行必要的常规检查。在分馏塔中修时，可清洗粗过滤器和精过滤器；在大修时，可清表3 膨胀机主要部位间隙洗检查膨胀前过滤器，紧固膨胀机进出口管道的法兰螺母，也可对膨胀机进行解体检查，主要是检查气体润滑轴承是否有摩擦，铜石墨镶套内衬是否松动、裂纹等。在解体前一定要做好标记，解体过程中要防止损坏机件，在装配时要一丝不苟把好质量关，重点是保证动平衡精度，确保能经得住长期运行的考验。
表3 膨胀机主要部位间隙
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间隙部位名称 + _  S3 {/ x( i3 `$ U	技术参数(mm)
轴承与转子间的径向间隙	0．03~0．04
转子轴向间隙	0．15~0．25 " D; n3 C8 I* g2 P5 q5 d+ m
工作轮与蜗壳、压出室间隙	0．15~0．25 / \& @* t% @8 H7 |( d9 |
风机轮与风机端盖间隙	0．30~0．50
密封径向间隙	0．03~0．05

表4 膨胀机取下中间体检查部位技术要求
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部位名称	技术要求
风机轮，工作轮	无松动，无裂纹，无斑点，无摩 擦痕迹
风机轮，工作轮螺母， 止动垫片	无松动，无裂纹，无斑点，螺纹 完好
风机侧轴承压板	无松动，中间密封孔无磨损
工作轮侧绝热板(轴承 压板)	无松动，无裂纹，中间密封孔无 磨损
风机端盖	无摩擦痕迹，测速装置固定可靠
导流器	无锈蚀、气蚀磨损痕迹
压出室，蜗壳	无摩擦、裂纹、气蚀痕迹，内部 无杂物(金属屑)
调整垫片，橡胶密封圈	无破损、裂纹现象，不老化

! Y7 I) n) t* P4 \: w; ]' D; H7 @' f6 结语
1 K  E4 \: d! A    膨胀机已安全运行18个月，中间对分馏塔加温过4次，均取下膨胀机机身进行检查，其中3次发现风机螺母有微量松动。实践证明，只要定期认真检查，不断消除隐患，膨胀机是能够长期正常运转的。
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还有活塞式的膨胀机

哈哈很少见到了