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小型透平膨胀机机械故障原因分析及处理
    
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(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
??? 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。
??? 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。2 故障原因分析及判定方法
??? 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。
??? 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。
??? 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。
??? 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。
??? 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。
??? 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。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。
??? 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。
??? 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。
??? 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。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。
??? (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)高质量的动平衡精度。
??? (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。
表1 膨胀机正常运行时主要部位的技术参数
??? 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r／min比较合适。
表2 膨胀机正常运行时的主要技术指标
-125℃~-130℃
-165℃~-172℃
-147℃~-157℃
-180℃~-187℃
??? 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
间隙部位名称
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
工作轮与蜗壳、压出室间隙
0．15~0．25
风机轮与风机端盖间隙
0．30~0．50
表4 膨胀机取下中间体检查部位技术要求
??? 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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