膨胀机核心部件国产化的研究与应用

付少东

摘 要：本文針对天然气处理厂核心机组—膨胀机的核心部件轴承、叶轮、转子、喷嘴等故障率不断升高，严重影响天然气处理装置的安全、平稳运行，提出用国产部件替代进口部件的方案，旨在实现膨胀机检修备件及时供应，降低材料成本，减少叶轮、轴承等部件的故障率，延长设备检修周期，确保膨胀机平稳运行。

关键词：膨胀机;轴承;叶轮;转子;喷嘴

1 项目概况

天然气处理厂主要从事石油伴生气的处理，有两套油田伴生气中压深冷处理装置，单套装置设计日处理能力为80～120万标方。两套装置中的核心机组--膨胀机，是通过旋转工作轮，使气体膨胀对外作功而产生冷量的机械（即利用气体流动时速度的变化来进行能量转换，气体在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴输出外功降低膨胀机出口气体的内能和温度）。由于油田产能的不断衰减，已远远偏离了原设计的运行状态，同时原料气中CO2含量逐渐升高，致使膨胀机轴承、叶轮、转子、喷嘴等核心部件的故障率不断提升，严重影响了两套装置膨胀机的平稳运行。

2 存在问题

2.1 轴承振动高，更换频率快

两套装置中的膨胀机，运行过程中两端轴承振动值高，一期膨胀机轴承振动值高至32.4um（轴承振动值20um报警，38um停机），二期膨胀机轴承振动值高至30.3um（轴承振动值25um报警，40um停机）。机组运行半年需对轴承进行更换，轴承更换周期极大的缩短。

2.2 叶轮附着脏污，损坏快

膨胀机检修过程中，发现两台膨胀机的叶轮流道里附着大量泥垢，叶轮背部以及叶轮流道从平衡孔以后残留黑色痕迹，甚至叶轮有不同程度的损伤，导致机组效率低，需对增压轮和膨胀轮进行更换，转子做动平衡测试。

2.3 进口备件费用高，周期长

进口备件在国外正常加工周期为4-6个月，周期长，费用为国产备件的好几倍;购买备件需进行订购，订购周期很长。若提前储存备件则占用大量资金，不储存备件则无法保证膨胀机正常检修周期和突发事件的处理。

3 核心部件国产化方案的确定

3.1 轴承的国产化方案

①轴承材料的选择。进口轴承材料用的是20号钢，硬度高，轴承损坏的同时造成膨胀机轴的损伤，国产轴承材料采用的是巴氏合金，硬度比20号钢偏软，轴承损伤不会造成轴的损坏，轴承材料可以选择巴氏合金;②轴承止推面的改进。机组运行时推力差偏高，拆解机组时发现轴承止推面接触不均匀，止推面接触面积不足，需增大止推面，与国内膨胀机厂家结合，可以将轴承止推面扩大，并经过软件模拟得出止推面接触面积大于80%时推力差满足机组运行要求。

3.2 叶轮的国产化方案

目前气量低、气质贫且CO2含量高，叶轮压力面负压点增多，降低了使用寿命，需要对叶轮流道进行分析和设计，修复负压点，减少流道损失。同时需要对叶轮进行精确测量，保证加工的叶轮与进口叶轮尺寸一致。这些要求国内厂家可以完成，他们可以利用软件进行模拟、分析和设计，达到叶轮工作的要求。

3.3 转子的国产化方案

转子由叶轮和轴组成，转子的工作转速需远离其固有频率，确保工作转速都在转子的一阶临界转速安全系数下，这样机组启、停操作和运转才安全。尤其是当今膨胀机已不在设计工况下运行，需要重新对膨胀机转子进行固频分析和推力计算，通过固频测试台对转子进行固有频率测试，然后依据测试数据加工转子。这些要求国内厂家可以完成。

4 取得的主要技术创新成果

4.1 轴承

轴承是膨胀机首先进行国产化改造的部件。①轴承的材料采用硬度软的巴氏合金衬里，避免了轴承的损坏导致轴的损伤;②止推轴承与轴的径向止推面的接触面反复刮研对磨，使它们的接触面积大于80%，油沟光滑无毛刺，边缘无缺口，确保良好的止推性;③径向轴承和轴颈的接触面反复刮研对磨，使其在轴承底部35°-60°的范围内接触均匀，降低轴承振动。

4.2 叶轮

厂商利用三坐标测量仪对叶轮外形进行测绘，确保叶轮的精确测量，保证加工的叶轮与轴、轴承、隔板、密封等部件良好配合。再采用UG软件对叶轮数据进行实体造型，利用CFD粘性流场分析软件和ANSYS有限元分析软件对流道进行模拟分析，修正负压点，减少流道损失，提高工作轮效率。

4.3 转子

转子组件首先通过进口CAE软件NASTREME进行动力性能分析，然后进行动平衡试验，在超速试验台位进行130%的超速试验，在固频试验台位进行固频测试，最后在动平衡机上进行转子动平衡试验。确保工作转速都在转子的一阶临界转速安全系数下，保证机组启、停操作和运转更安全。

5 现场应用效果分析

自两套装置的膨胀机核心部件实施国产化以来，机组转速、轴承振动，推力差和轴承温度等参数均在正常范围内，保障了两套装置膨胀机的平稳运行。

参考文献：

[1]赖晓斌，周明军，祁晓莉.膨胀机控制方案探讨[J].天然气与石油，2014（5）.

[2]计光华.透平膨胀机[M].北京：机械工业出版社，1982.