（机械工程专业论文）二氧化碳压缩机内部腐蚀机理与防护研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 二氧化碳压缩机内部腐蚀机理与防护研究 机械工程 周维( 签名) 樊玉光( 签名) 刘向东( 签名 摘要 宁夏石化公司第二套化肥尿素装置2 m c l 6 0 7 2 b c l 3 0 6 a 型压缩机，是意大利新比隆 公司生产的。在运转的过程中，压缩机低压缸、高压缸的叶轮、隔板等的腐蚀造成了内 部气体流态及流道的破坏，再加上转子被腐蚀，直接导致压缩机运转时振动升高，造成 机组停车。 通过对压缩机的工作原理，工况分析等方面分析，研究了c 0 2 压缩机组内部在运转 状态中的腐蚀环境。在c 0 2 压缩机组装置实施增产5 0 的扩能改造工程中，对机组本体 ( 主要是增速箱和高低压缸) 进行改造，在原压缩机组前设置增压机，提高了原机组的 进口压力和质量流量；而且对原压缩机组高低压缸进行了相应的改动，以降低各段的压 缩比，扩大各段的通流能力，达到了扩能增产的技术要求。但是对系统的配套改造没有 相应进行，特别是级间冷却和分离能力不足，成为造成c 0 2 压缩机内部腐蚀的根本原因。 c 0 2 压缩机缸体的腐蚀形式包括c 0 2 溶液中电化学腐蚀、冲刷腐蚀、缝隙腐蚀。对 现场污垢进行了分析，污垢由无定型污垢和晶体矿物组成。无定型污垢主要是高分子有 机物，与脱碳液有关。 对压缩机叶轮进行了电镜扫描、x 射线能谱分析、化学成分分析、锈垢分析等微观 组织和成分分析。叶轮的化学成分不符合设计材料1 7 - 4 p h 不锈钢的成分要求，而是与 m s l 3 1 4 0 合金结构钢的成分接近，降低了叶轮材料的耐腐蚀性能。 分析了c 0 2 压缩机的腐蚀工艺原因，c 0 2 气体在离开合成氨界区之前，对水分的分 离不够充分，冷却器的面积和分离器的容积偏小，是腐蚀工艺原因。合成氨转化和变换 工段泄漏的催化剂与c 0 2 解吸塔至尿素界区的碳钢管道和相关设备内部锈蚀产物是导致 压缩机组内件( 转子与隔板) 结垢的原因。 研究和探讨了c 0 2 压缩机组内部设备的防护和腐蚀延缓措施。防腐的方法是改善叶 轮、缸体等主要机构的材质，加装工艺气净化装置，注意压缩机使用和保养检修。修复 措施包括：超音速电弧喷涂技术修复缸体内，表面金属胶粘接技术修复轴封套定位台肩。 关键词：c 0 2 压缩机腐蚀机理腐蚀防护 论文类型：技术研究 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo ht h ei n t e r n a lc o r r o s i o nm e c h a n i s m a n dp r o t e c t i o no fc a r b o nd i o x i d e c o m p r e s s o r s s p e c i a l i t y ： n a m e ： l n s t r n c t o r ： a b s l r a c t t h es e c o n ds e to fu r e af e r t i l i z e r p l a n t i nn i n g x i ap e t r o c h e m i c a l c o m p a n yi s 2 m c l 6 0 7 2 b c l 3 0 6 a t y p eo fc o m p r e s s o r s ，w h i c hi sm a d eb yx i n b i l o n gc o m p a n yi ni t a l y i n t h eo p e r a t i o n , t h ec o r r o s i o no ft h el o w - p r e s s u r e c o m p r e s s o rc y l i n d e ra n dt h ec y l i n d e r h i g h - p r e s s u r ei m p e l l e rd e s t r o yt h ec o n d i t i o n so ft h ef l o w i n gg a sa n dt h ef l o w i n gc h a n n e l i n a d d i t i o no ft h er o t o rw a sc o r r o s i o n , t h ev i b r a t i o ni n c r e a s e da n dt h ec o m p r e s s o rs t o pw o r k i n g b ya l lt h er e a s o n sa b o v e t h r o u g hs t u d y i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dr e s e a r c h i n gt h ew o r k i n gc o n d k i o no ft h e c o m p r e s s o r s ，g e tt h ec o r r o s i o ne n v i r o n m e n ta n d t h ec o n d i t i o nw h e nt h es e t sa r er u n n i n g i nt h e p r o d u c t i o nc a p a c i t ye x p a n s i o no f5 0 o ft h er e n o v a t i o np r o j e c t ，i m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h e c o m p r e s s o r i n s t a l lab o o s t e rb e f o r et h eo r i g i n a le q u i p m e n t ，i m p r o v i n gt h ep r e s s u r ea n dm a s s f l o w w h a t sm o r e ，i m p r o v et h eh i g h - p r e s s u r ec o m p r e s s o rc y l i n d e ri no r d e rt od e c l i n et h e c o m p r e s s i o nr a t i oo fe v e r yp a r t ，s ot h ef l o w i n gm a s s e se x p a n da n dm e tt h er e q u i r e m e n t so f i n c r e a s i n gp r o d u c t i o n b u tt h ea i de q u i p m e n tw a sn o ti m p r o v ea sf o l l o w , e s p e c i a l l yt h ec o o l e r s a n ds e p a r a t o r sb e t w e e ne v e r yp a r td o n tm e tt h er e q u i r e m e n t s ，s oi t st h er o o tr e a s o no ft h e c o m p r e s s o rc o r r o s i o n t h e r ea r es e v e r a lk i n d so fc o r r o s i o n si nt h ec 0 2c o m p r e s s o rc y l i n d e r , i n c l u d i n g e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n , e r o s i o n - c o r r o s i o na n dc r e v i c ec o r r o s i o n t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h e d i r tf o r ms c e n e , f o u n dt h a tt h ed i r tw e r em a d ef o r ma m o r p h o u sa n dc r y s t a l l i n em i n e r a l t h e m a i ni n g r e d i e n to ft h ea m o r p h o u si st h eo r g a n i cp o l y m e r ；i th a ds o m e t h i n gt od ow i t ht h e d e c a r b u r i z a t i o n sw a t e r o nt h ec o m p r e s s o ri m p e l l e rr u s ts c a l ea n a l y s i so ft h em i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o n a n a l y s i sh a sc a r r i e do u t ，s u c ha ss c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , x - r a ys p e c t r u ma n a l y s i s ， c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i s t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ei m p e l l e ri si n c o n s i s t e n tw i t h t h ec o m p o n e n tr e q u e s to ft h ed e s i g n e dm a t e r i a l 一17 4 p hs t a i n l e s ss t e e l ，y e ti sc l o s e dt ot h e e l e m e n t so fa i s d14 0a l l o ys t r u c t u r a ls t e e l a sar e s u l t ，t h ep e r f o r m a n c eo fc o r r o s i o n - r e s i s t a n t o f t h ei m p e l l e rm a t e r i a lh a sb e e nr e d u c e d i i i 英文摘要 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ec 0 2c o m p r e s s o r sc o r r o s i o nt e c h n o l o g yr e a s o n , t h e r e a s o n so ft h ec o r r o s i o nt e c h n o l o g ya let h a tt h es e p a r a t i o no fw a t e ri si n a d e q u a t eb e f o r et h e c 0 2g a sl e a v et h ea m m o n i a - b o r d e r t h ea r e ao fc o o l e rb o d ya n dt h ev o l u m eo fs e p a r a t o ra r e s m a l l e ra l s oc a u s ec o r r o s i o n c a t a l y s tw h i c hi sl e a k e dd u r i n gt h ew o r k i n gs e c t i o n so ft h e s y n t h e t i ca m m o n i at r a n s f o r m a t i o na n dt h ei n t e r n a lc o r r o s i o np r o d u c t so ft h ec a r b o ns t e e lp i p e s a n dr e l a t e de q u i p m e n t si nt h ea g e ao ft h e c o ：d e s o r p t i o nt o w e rt ot h eu r e aa r e a , a g ec a u s e dt h e s c a l ef o r m a t i o no ft h ec o m p r e s s o r p i e c e so fg r o u p ( r o t o ra n dp a r t i t i o n ) 。 s t u d ya n dp r o b em e a s u r e st op r e v e n ta n dp o s t p o n ec o r r o s i o no ft h ec 0 2c o m p r e s s o r i n t e r n a lu n i t s a n t i c o r r o s i o nm e t h o d s ：i m p r o v i n gt h em a t e r i a lo ft h ep r i n c i p a lo r g a n ss u c ha s t h ei m p e l l e ra n dt h ec y l i n d e rb o d y ，t h ei n s t a l l a t i o no fp r o c e s sg a sp u r i f i c a t i o nd e v i c e s ，a n d p a y i n ga t t e n t i o nt ot h eu s eo fc o m p r e s s o ra n dt h er e p a i ra n dm a i n t e n a n c e r e s t o r a t i o n m e a s u r e si n c l u d e ：s u p e r s o n i ca r cs p r a y i n gt e c h n i q u et or e p a i rt h et a n k sb o d y g l u eo i lt h e s u r f a c eo fm e t a lt e c h n o l o g yt or e p a i rt h ep o s i t i o n i n gs h o u l d e ro f t h ea x i se n v e l o p e k e y w o r d s ：c 0 2c o m p r e s s o rc o r r o s i o nm e c h a n i s mc o r r o s i o np r o t e c t i o n t h e s i s ：e n g i n e e r i n gr e s e a r c h i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：盟啸坐 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 日期：磷孕! 列 1 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着科技进步和经济发展，我国石化行业得到飞速发展。截止目前，我国己有2 0 0 0 多家大中小型化肥企业、3 0 0 0 多家化工厂和1 0 0 多家大中型石化基地，它们几乎遍布全国。 尤其是近3 0 年来，我国从国外引进了一大批成套生产装置，如几十套3 0 0 k t a 合成氨、多 套3 0 0 k t a 乙烯、多套大型石油化纤生产装置等。这些大型石化装置普遍采用离心式压缩 机做动力，以适应大流量、长期连续运转等生产要求。随着新厂开工和老厂改建、扩建 的进行，安全事故频频发生，不但机组跳车现象增加，带来了巨大的经济损失；有的甚 至发生爆炸、人员伤亡等恶性事故。 c 0 2 压缩机组内部的腐蚀情况是引发机组跳车的重要原因之一，这是因为离心式压 缩机输送气体量大、流速高，在运转的过程中c 0 2 气体里面通常含有饱和的脱碳液及水 蒸气，在一定的温度和压力下达到了腐蚀的条件，导致压缩机低压缸、高压缸的叶轮、 隔板等的腐蚀造成了内部气体流态及流道的破坏，再加上转子被腐蚀后会直接导致压缩 机运转时振动升高，从而造成设备跳车【1 1 。 a 事故类型 石化行业大型离心式压缩机组发生的事故主要有叶轮堵塞、缸体内表面腐蚀、轴封 套定位台肩腐蚀、叶片断裂、围带断裂、叶轮断裂( 甚至飞出) 、断轴、中毒、灼伤、燃 烧、爆炸等，这些事故很容易造成人员伤亡和重大经济损失。 b 事故特点 据统计，石化行业大型离心式压缩机组发生的事故主要存在以下特点： ( 1 ) 转子发生的事故最多。如叶片断裂、围带断裂、叶轮断裂( 甚至飞出) 、断轴等 事故，此外转子剧烈振动或窜动，容易导致动静碰摩、泄漏，并可能最终导致转子断裂、 燃烧、中毒、灼伤、爆炸等事故。 ( 2 ) 相同事故接连不断，甚至在同一台设备上连续发生多次。如叶轮因设计缺陷和 制造缺陷导致叶轮局部应力集中，极易发生疲劳断裂。 ( 3 ) 设备缺陷造成事故的比例很大。据不完全统计，因设计不当、制造缺陷而发生 的事故占全部压缩机组事故的一半左右。如大化肥装置中合成气压缩机组蒸汽轮机、二 氧化碳压缩机组蒸汽轮机的叶轮多次、多地( 南京、安庆、广州) 发生叶片断裂事故， 经分析主要是设计制造缺陷所致。 ( 4 ) 处理措施不力。任何事故发生前都表现出一定的征兆，且离心式压缩机组转速 西安石油大学硕士学位论文 高、功率大，如不及时采取积极有效的措施，事故就不可避免。 ( 5 ) 经济损失巨大。离心式压缩机组发生事故必然导致停车停产，除直接造成重大 的设备损失外，还造成巨大的停产经济损失。如大化肥装置停车一天，产值损失在几百 万元以上瞄j 。 c 腐蚀产生的危害 ( 1 ) 由于腐蚀的影响，破坏了转子的工作环境，改变了其临界转速引起强烈的振动。 ( 2 ) 腐蚀形成的深坑破坏了转轴、流道等部件的几何形状，使其强度大幅度的下降。 在腐蚀不断进行的过程中，时间越长压缩机内件受损越严重，如果没有及时的发现， 检修就会发生如叶轮阻塞、压缩机功率下降、处理气体能力降低、喘振严重、被迫停车、 叶片断裂、围带断裂、叶轮断裂( 甚至飞出) 、断轴等事故，此外转子剧烈振动或窜动， 容易导致动静碰摩、泄漏，并可能最终导致转子断裂、燃烧、中毒、灼伤、爆炸等事故： 由此可见，二氧化碳压缩机的腐蚀严重性，不但造成重大的经济损失而且有可能带来人 员的伤- 1 兰1 6 1 。 d 宁夏石化c 0 2 离心式压缩机组的情况 ( 1 ) 宁夏石化c 0 2 离心式压缩机工艺流程图： 茎 r g皓9 h p 啦) + 安全处 u 唑妒 亍 i 。譬f 烈 罕 ；迄) 三 ， j v - 1 1 9 f ，o ( i o 。 忡- p i - o 吲2 0 3 c - 一5 。滞a ) ， 。f 吲 觻 - ii 。：；= 嚣鬈磊墨 1 0 。一0 1 一p 4 一i i a v p- 门j l o _ h 搿孓矿 2 。一p 6 一。2 。一1 。a ，i 嘲一 “i ! 一呻 p r - 圈? 肇奇 甲 囫 儡r 兰 越一o z -q - - 斗 r 鲁量 z o o 锓fn i 咄瀹 一- c h ( v o i s 0 0 一 3 1 9 d 一，o f ) 厂、 ii 璺l 尘1 i i 一2 9 m 3 一【o 一- 0 1l 乱0 3 昌 创一 ( d d ) 删i i - 品3 - i o - , , 。” 上占 。缝冀二 宣 l j h “ a 一3 1 1 1 9 m 3 一i o 一，0 1 z u n n 小 o 正 n o i r 。一 f c g 。t 一妒。己。一9 d 一，? t ，p i c t - i 图i - 20 0 2 离心式压缩机二段出口冷凝、分离工艺流程图 3 西安石油大学硕士学位论文 图1 _ 3 ：离心式压缩机三、四段工艺流程图 4 第一章绪论 ( 2 ) 经过压缩机对气体的压缩，各段进出口状态表： 表1 - 1c 0 2 离心式压缩机进出口状态表 由上表可见，宁夏石化公司的c 0 2 压缩机具有处理量大、流速快、高转速、高压力 比等特点。 i i 2 课题研究的意义 分析以上事故的特点不难发现，由于压缩机内的腐蚀造成设备故障的问题是事故发 生的主要原因，对设备本身而言深入研究压缩机内部产生腐蚀的原因、c 0 2 与水混合的 腐蚀机理、腐蚀发生的条件、如何防止腐蚀延长使用寿命、因地制宜的采取各种防护措 施，是预防事故发生的主要解决办法。 中国石油股份公司宁夏石化公司于8 0 年代中后期从日本、西德等国引进以渣油为原 料的第一套大型化肥装置，年合成氨3 0 万吨、尿素5 2 万吨。1 9 9 9 年9 月，第二套化肥尿素 装置引进意大利新比隆公司生产的2 m c l 6 0 7 忽b c l 3 0 6 a 型压缩机，正式投产使用。由于 尿素工业是属于尽量缩短检维修时间以长周期运转生产模式提高生产效率，降低生产成 本的行业，加之c 0 2 压缩机的转速高，转速5 0 0 0 - 1 3 0 0 0 r p m ，而且又在长周期、高负荷的 状态下工作，难免出现问题。一旦出现问题又会引发整个工艺连锁跳车，必须停车检修， 给生产企业带来巨大的损失。c o z 压缩机组内部的腐蚀情况是引发机组跳车的重要原因 之一，这是因为在运转的过程中，压缩机低压缸、高压缸的叶轮、隔板等的腐蚀造成了 内部气体流态及流道的破坏，再加上转子被腐蚀后会直接导致压缩机运转时振动升高， 从而造成设备跳车。为此，尽量延缓c 0 2 压缩机组内部设备在运转状态中的腐蚀是解决 此类问题的根本办法。 所以本文的研究有很重要的意义。本文研究的主要内容： ( 1 ) 结合实际工况研究宁夏石化公司第二套c 0 2 压缩机内部发生腐蚀的部位，并分 析其发生腐蚀的条件和原因。 ( 2 ) 研究c 0 2 压缩机内部腐蚀的机理。充分考虑各段入口处水蒸气的冷凝问题。 ( 3 ) 深入研究延缓c 0 2 压缩机内部腐蚀方法的，延长压缩机的工作寿命和工作时的 稳定性。 5 西安石油大学硕士学位论文 ( 4 ) c 0 2 压缩机内部腐蚀后修复的研究。 1 2 国内外研究情况 由于腐蚀造成巨大的经济损失，腐蚀与防护研究在国外是一个很兴盛的行业。从腐 蚀科学和腐蚀控制技术中要效益、要安全、要低环境污染已成为一种潮流和趋势。二氧 化碳( c 0 2 ) 溶于水后对部分金属材料有极强的腐蚀性，由此而引起的材料破坏统称为c 0 2 腐蚀。c 0 2 在水介质中能引起钢铁迅速的全面腐蚀和严重的局部腐蚀，c 0 2 腐蚀典型的 特征是呈现局部的点蚀、癣状腐蚀和台面状腐蚀，台面状腐蚀是最严重的一种情况，它 使管道和设备发生腐蚀失效，并造成严重的经济损失和社会后果。 研究表明c 0 2 的腐蚀分为全面腐蚀、局部腐蚀、磨损腐蚀等形式，其机理和外部表 现特征各不相同。全面腐蚀即均匀腐蚀，腐蚀在金属表面上均匀进行。这种腐蚀不易造 成穿孔，腐蚀产物氧化铁可以在整个金属表面上形成，在一定的情况下具有保护作用， 但也可能形成严重的污垢。钢铁在c 0 2 ，水和氧的作用下难以形成稳定的钝化状态。一 般来讲，钢铁腐蚀后产生的阴极、阳极产物会在基体表面形成一层不同价态的氧化铁锈 层，虽然这层腐蚀产物不如钝化膜那样完整致密，但在一定程度上阻滞了氧的进一步扩 散速度，降低了腐蚀速率。由于在c 0 2 ，水和氧的协同作用下，腐蚀产物层难以形成， 故在此条件下钢铁遭受的腐蚀以均匀腐蚀为主 6 1 。 据资料报道，铁在c 0 2 水溶液中腐蚀机理为： 阳极反应：f e + o 陌- + f e o h 坨：f e o h - - * f e o i - v + e ：f e o i - v _ f e 2 + + o h 研究结果表明阴极腐蚀主要有两种机制： ( 1 ) 非催化的氢离子还原反应。 ( 2 ) 表面吸附c 0 2 的氢离子催化还原反应。 c o ：的局部腐蚀包括点蚀、台面状腐蚀、流动诱使局部腐蚀等。在金属表面大部分 区域，腐蚀产物膜和试样表面紧密接触，腐蚀介质难以穿过膜层到金属表面。而在最靠 近金属表面的腐蚀产物膜层由于不致密会有一些缝隙，可允许腐蚀介质穿过到达金属表 面，这些区域便成为电化学反应的阳极，而腐蚀介质难以到达的地方成为阴极。这种小 阳极大阴极腐蚀将使金属在很短时间内形成严重的局部腐蚀区。在膜中孔隙处及腐蚀坑 底部，腐蚀介质不流通还可引起自催化腐蚀反应而加剧局部腐蚀，导致金属表面大面积 凹陷和点蚀穿孔。 腐蚀环境中摩擦表面出现的材料流失现象被称之为磨蚀磨损。前苏联的相关论文和 书籍称磨蚀磨损为磨蚀机械磨损f 3 2 1 ，并重点探讨了磨蚀介质中摩擦副的材料流失问题。 我国的腐蚀科学工作者把腐蚀介质中出现的材料冲蚀命名为磨损磨蚀。考虑到磨蚀介质 的绝大多数是流体( 气体或气体) ，由它携带的固体粒子( 或气泡) 对固体靶材冲击造成 的材料表面流失在磨蚀磨损事件中占极大的份额。腐蚀磨蚀的内容是金属材料在承受摩 6 第一章绪论 擦力( 即表面剪切应力) 的同时还与环境介质发生化学或电化学反应而出现在表面上的 材料流失现象，它包括摩擦副的磨蚀磨损( w e a ro f r u b b i n g p a i ri nc o r r o s i v em e d i a ) 、磨蚀 性料浆冲蚀( c o r r o s i v ee r o s i o ni ns l u r r y ) 、高温腐蚀性气体中的冲蚀( e r o s i c i n sa te l e v a t e d t e m p e r a t u r e ) 等类型。材料的这些失效形式经常发生在泵、压缩机、阀的过流部件( 泵 体、缸体、叶轮、密封环) ，管道内壁面以及腐蚀介质中服役的摩擦副( 如动密封面及轴 承等零部件) 中。其中以双相流造成的破坏尤其严重。据统计，在石油化工、能源交通、 农机、建材、矿山、煤的燃烧和选洗以及冶金、水利电力等行业的机械设备中，磨蚀磨 损造成的损失占总腐蚀量的9 0 ，磨损量的5 。 腐蚀磨损出现的条件首先是存在腐蚀性介质，其次才是相对运动的( 摩擦) 表面。 最早注意到这种材料表面的破坏形式并加以研究是在1 9 世纪中期，在纽约修建 b r o o k i j y n 大桥时，在施工中遇到用吸出法排泄泥浆时造成金属反射板的冲蚀腐蚀问 题p 引，虽然泥浆对金属的破坏中腐蚀作用远小于力学因素，但用花岗岩板代替金属板后， 却大大降低了冲蚀破坏程度，其中也有抑制腐蚀的功劳，较系统的公布金属材料在酸、 碱、盐溶液中摩擦系数与腐蚀关系的是以d h ，b u c k l e y 为首的美国n a s a ( n a t i o n a l a e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n 国家航空和宇宙航行局) 的l e w i s 研究中心的摩擦学 研究组。由于金属材料的腐蚀磨损现象在多种工况中较频繁的出现，2 0 世纪8 0 年代初， 为满足矿山用材，南非的科学家们开始用先腐蚀后磨损的试验方法对多种工程材料进行 评价，但这种实验方法与材料的服役工况有很大差异。美英等国曾因为石油资源危机而 考虑用煤做部分能源供应，从而关注燃煤锅炉中出现的高温燃气流对管道用材的冲蚀腐 蚀问题 4 6 - 4 8 1 。在美国能源部的资助下，英国剑桥大学、曼彻斯特大学与美国电力研究所 和加州大学l a w r e n c e 实验室共同协作，以加压流化床燃烧锅炉中材料的高温冲蚀为背景 开展系统研究，还组织学术交流，吸收与此工况有关的材料热腐蚀、料浆和燃气涡轮叶 片冲蚀方面的学者参加，每两年分别在英国和美国举行一次学术会议，出版会议文集， 对金属高温氧化冲蚀研究起了很大的推动作用。印度国防冶金研究室的g s u n d a t a r a j a n 总结了前人在金属氧化冲蚀方面的研究结果，提出了氧化和冲蚀交互作用的数理模型并 在实验中得到验证，1 9 9 1 年他的总结性论文发表后，得到许多学者的引用和赞赏。 腐蚀疲劳断裂、金属材料应力腐蚀开裂虽然和腐蚀磨损相似，都属于力学和电化学 因素同时作用造成的失效。但因有疲劳和腐蚀学科做基础，应力腐蚀和疲劳分别作为一 门分支领域，其完整性和系统性远比腐蚀磨损成熟。腐蚀磨损研究较少的原因可能是其 失效形式与应力腐蚀和腐蚀疲劳不同，后两者往往会导致突发性事件，甚至是灾难性事 件，而腐蚀磨损却是逐渐失效，从而比较容易被忽视。迄今，应力腐蚀及腐蚀疲劳已有 专著和专业学术会议【1 7 1 ，但与腐蚀磨损有关的论文却仍分散的发表在腐蚀或磨损的杂志 或会议出版物中，并无较系统的专著问世。 现在已充分认识到腐蚀磨损加速金属材料破坏的原因是腐蚀与磨损的交互作用，材 料表面的再钝化行为只有在载荷( 包括介质流速) 很低的情况下才能展示其影响。因此 7 西安石油大学硕士学位论文 除了在试验研究中将腐蚀因素和力学因素同时施加给金属表面外，还必须在数理模型中 同时表达出二者的影响，英国曼彻斯特大学m m s t a c k 用组建磨损机制图的方法将两个 独立因素联系在一起，以电位、腐蚀介质p h 值或环境温度为横坐标，以粒子速度、尺寸 ( 形状) 等为纵坐标，界定出某些典型材料( 如不锈钢) 或涂层发生破坏时起主要作用 的因素，即腐蚀或磨损( 化学或力学因素) 所做的贡献，按人们公认的标准从腐蚀磨损 图上区分出材料破坏机制。这种研究方法将腐蚀磨损机理的表达方法向前推进一步，他 们在探索几种影响腐蚀磨损机制过度边界因素的基础上，还发展出材料行为图、材料优 选图，并拟出用计算机构建机制图的程序。这些试探性工作是2 0 世纪9 0 年代后期腐蚀 磨损研究的新进展【i 嗣。 我国金属腐蚀磨损研究的工作一开始便与工程项目密切联系，而且大都从轻腐蚀、 重磨损工况入手。最先开展的工作是原中国农机院材料工艺研究所，技术人员用料浆罐 式试验机对不锈钢、合金白口铸铁的腐蚀磨损研究，问题的背景则是水田耕作机械中腐 蚀对某些磨损件的加速破坏。西安交通大学开发高铬白口耐磨铸铁的同时也研究过将其 推广应用到腐蚀磨损工况的可能性。为改善我国煤矿轻轨用钢的耐磨耐蚀性能，延长轻 轨在矿坑中的使用寿命，在“六五”期间就设立专题研制新的轻轨用低合金钢。 此后一些从事材料和表面强化工作的研究所和高等院校开始对腐蚀介质中金属及其 表面涂层、镀层耐磨损性能进行研究1 1 7 1 。在2 0 世纪8 0 年代后期国内金属腐蚀磨损的研 究逐渐活跃起来，在相关期刊上陆续有文章讨论耐磨蚀合金、腐蚀磨损交互作用以及冲 蚀腐蚀等问题，并于1 9 9 6 年在柳州召开了第一届磨损腐蚀学术会。在中科院和国家自然 科学基金的资助下，中科院金属研究所( 含原腐蚀与防护研究所) 全面系统的进行了约 2 0 年金属腐蚀磨损机理的研究，在从事应用基础研究的同时又紧密结合实际以发展新的 耐磨蚀合金。我国金属材料高温氧化和冲蚀方面的研究大多是结合燃煤锅炉热壁材料和 防护涂层的选择、评价来进行。在氧化和冲蚀交互作用的机理上几乎未开展过相对系统 的研究。 目前国内外在c 0 2 腐蚀机理及影响因素的研究方面所做的工作较多，研究重点已转 移到腐蚀监测、腐蚀模型及腐蚀寿命预测方面，这为c 0 2 腐蚀防护提供了理论依据。c 0 2 腐蚀主要应以局部腐蚀的程度作为评价和预测的对象，因为常常是因局部腐蚀引起的穿 孔或断裂而终止设备的寿命，而此时壁厚由均匀腐蚀引起的减薄并不严重。因此开展 c o r h 2 0 介质中钢的局部腐蚀包括和冲蚀交互作用及其防护技术和评价预测等研究将 是c 0 2 腐蚀领域研究的重点工作。 1 3 本文主要研究内容 本论文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍宁夏石化第二套c 0 2 压缩机的工作状况，分析其工艺流程的特点。 8 第章绪论 ( 2 ) 结合其实际工况研究c 0 2 压缩机内部发生腐蚀的部位，观察、了解其腐蚀的特 点，并分析其发生腐蚀的条件和原因。 ( 3 ) 研究c 0 2 压缩机内部腐蚀的机理，充分考虑压缩机各段入口处及输送过程中 水蒸气的冷凝问题。 ( 4 ) 深入研究延缓c 0 2 压缩机内部腐蚀的方法，延长压缩机的工作寿命和工作时的 稳定性。 ( 5 ) 结合宁夏石化的工作特点，进行c 0 2 压缩机内部腐蚀后修复的研究。 9 西安石油大学硕士学位论文 第二章离心式压缩机的结构、原理及工况条件 2 1 压缩机的分类 压缩机按照压缩气体的方式的不同，压缩机通常分为两类：一类是容积式压缩机： 另一类是透平式压缩机。从能量观点来看，压缩机是把原动机的机械能转变为气体能量 的一种机械【1 1 。 a 容积式压缩机 容积式压缩机气体压力的提高，是利用气体容积的缩小来达到的。活塞式压缩机是 一种典型的容积式压缩机。它是由汽缸和活塞组成，而活塞则由连杆、曲轴带动的，在 气缸里作来回运动。活塞压缩时，由于汽缸中的气体容积缩小，使气体压力上升。气体 的吸气及排气由气缸上的进、排气阀进行控制。 b 透平式压缩机 透平式压缩机是一种叶片旋转式机械。在透平式压缩机中，气体压力的提高是利用 叶片和气体的相互作用来达到的。透平式压缩机的分类有以下几种： ( 1 ) 按压力分类 通风机：压力在1 5 0 0 p a 以下： 鼓风机：压力在0 0 1 5 - - 0 3 5 m p a ； 压缩机：压力超过o 3 5 m p a 以上，一般带有中间冷却器。 ( 2 ) 按结构形式分类 离心式压缩机：气体在离心式压缩机中的运动，是沿着垂直于压缩机轴的径向进行 的。离心式压缩机中气体压力的提高是气体流经叶轮时由于叶轮的旋转，使气体受到离 心力的作用而产生压力：与此同时气体获得速度，而气体流经叶轮、扩压器等扩张通道 时，气体的流动速度又逐渐减慢而使气体压力得到提高。 轴流式压缩机：气体在轴流式压缩机中的运动是沿着平行于压缩机轴的轴向进行的。 在轴流式压缩机中，同样由于转子旋转，使气体产生很高的速度，而当气体流经依次排 列着的动叶和静叶栅时气体的流动速度就逐渐减慢而使气体压力得到提高。 除了上述的分类外，压缩机也常用气体的种类命名，如二氧化碳压缩机、氨气压缩 机、氧气压缩机等。也有以使用场合来命名的，如高炉鼓风机，制冷压缩机等。 2 2 离心式压缩机的系统组成及工作原理 2 2 1 离心式压缩机的系统组成 离心式压缩机的结构如图2 1 ： 1 0 第二章离心式压缩机的结构、工作原理及腐蚀的原因 图2 - 1a l t 2 5 0 - - 3 6 - 2 0 氨离心式制冷压缩机 l l 爹囊 糍镕霉扩蓁l兹；鑫 ；惫嚣嚣， 够墨矿络铙；参 建 秒矿笼缀_i幺绒馨 芝 鬻髫凌缓；静 辔絮；h 篡謇藿；套 缴扩瓣嚣露；表_ 鬻彩舷。一罄笔赣锯锣；螃撬黟；蹿拳鼍囊； 菇髫馋；妊麓荔菇；_ 西安石油大学硕士学位论文 众所周知，整套离心压缩机组是由电气、机械、润滑、冷却、控制等部分组成的一 个系统。虽然由于输送的介质、压力和输气量的不同，而有许多种规格、型式和结构， 但组成的基本元件大致是相同的，主要由转子、定子、和辅助设备等部件组成 2 , 8 1 。 c 0 2 气体从压缩机第一段吸气室吸入，通过叶轮对气体做功，使气体压力、温度、 速度提高，然后流入扩压器，使速度降低，压力提高。气体流入弯道和回流器，其主要 起导向作用，使气体流入下一级继续压缩。最后，由末级出来的高压气体经蜗室和出气 管输出。对于宁夏石化的第二套c 0 2 压缩机组，经过第一段的压缩过程，c 0 2 气体从4 5 升高到1 8 1 3 1 8 3 ，压力由0 2 2 m p a 升高到0 8 5 0 8 6 m p a 。 由于气体在压缩过程中温度升高，而气体在高温下继续压缩，消耗功将会增大。为 了减少压缩耗功，敌对压力较高的离心式压缩机，在压缩过程中采用中间冷却，即由某 中间级出口的气体，不直接进入下一级，而是通过蜗室和出气管，引到外面的中间冷却 器进行冷却，冷却后的低温气体再经吸气室进入下一级压缩。中间冷却器如图2 2 ： 图2 - 2 z 离心式压缩机中间冷却器和分离器工艺流程图 第二章 离心式压缩机的结构、工作原理及腐蚀的原因 c 0 2 气体进入压缩机的第二段缸体内重复上述的压缩过成，流经高压缸三段，最后 从四段出口流出，完成了压缩过程。 离心式压缩机零件很多【l l ，这些零件又根据它们的作用组成各种部件。把离心式压 缩机中可以转动的零件、部件统称为转子。不能转动零、部件称为定子。 a 转子：转子是离心式压缩机的主要部件，它是由主轴、叶轮和平衡盘等组成。转 子上各零件用热套法与轴联成一体，以保证在高速旋转时不至松脱。为了更可靠，叶轮 平衡盘和联轴器等大零件还往往用键与轴固定，以传递扭矩和防止松动。有的叶轮不用 键而用销钉与轴固定。转子上的主要部件介绍： ( 1 ) 叶轮 叶轮也称为工作轮，它是压缩机中最重要的一个部件。气体再叶轮叶片的作用下， 跟着叶轮作高速的旋转。而气体由于受到离心力的作用，以及在叶轮里的扩压流动，是 气体通过叶轮后的压力得到了提高。此外，气体的速度也同样在叶轮里得到了提高，因 此可以认为叶轮是使气体能量提高的唯一途径。 叶轮是由轮盘、叶轮盖和叶片组成。这种叶轮称为闭式叶轮。按照工艺方法的不同， 叶轮又可分为焊接叶轮和整体铸造叶轮等形式。 ( 2 ) 主轴 主轴上安装所有的旋转零件，它的作用就是支持旋转零件及传递转矩。主轴的轴线 确定了各旋转零件的几何轴线。 主轴是阶梯轴，它方便于零件安装。各阶梯突肩起轴向定位作用。近来也有采用光 轴，因为其有形状简单，加工方便等特点。 ( 3 ) 平衡盘 在多级离心压缩机中，由于每级叶轮两侧的气体作用力不一致，就会使转子受到一 个指向低压端的合力，这个合力称为轴向力。轴向力对于压缩机的正常运转是不利的， 它使转子向一端窜动，甚至使转子与机壳相碰，发生事故。因此应设法平衡它，平衡盘 就是利用它的两侧气体的压力差来平衡轴向力的零件。热套在主轴上，通常平衡盘只能 平衡一部分轴向力，剩余的轴向力由止推轴承来承受。推力盘是固定在主轴上的止推轴 承中的一部分，它的作用就是将转子剩余的轴向力通过油膜作用在止推轴承上，同时还 确定了转子与固定元件的位置。 b 定子：离心压缩机的定子是压缩机的固定元件，由扩压器、弯道、回流器、蜗壳 及机壳组成。 ( 1 ) 机壳 机壳也称为气缸。是定子中最大的零件。通常是用铸铁或铸钢浇铸出来的。对于高 压离心式压缩机，都采用圆筒形锻钢机壳，以承受高压。 ( 2 ) 扩压器 扩压器的功能主要是使从叶轮出来的具有较大动能的气流减速，把气体的动能有效 1 3 西安石油大学硕士学位论文 地转化为压力能。弯道：其作用使气流转弯进入回流器，气流在转弯时略有加速。 ( 3 ) 回流器 其作用使气流按所需方向均匀的进入下一级。通常情况下隔板和导流叶片整体铸造 在一起。隔板借销钉或者外缘凸肩与机壳定位。 ( 4 ) 蜗壳 其主要作用是把扩压器后面或叶轮后面的气体汇集起来，并把它们引出压缩机，流 向输送管道或气体冷却器，此外，在会聚气体过程中，大多数情况下，由于蜗壳外径逐 渐增大和流通面积的逐渐增大，也起到了一定的降速扩压作用。 ( 5 ) 轴承 支撑轴承：用于支撑转子使其高速旋转。止推轴承：作用是承受剩余的轴向力。 2 2 2 离心式压缩机的工作原理 二氧化碳离心式压缩机中工作介质是c 0 2 气体，气体从进气口进入，压缩机对其做 功使气体压力、温度升高。为了达到扩容我们要分析压缩机中气体的流动，分析气体各 参数的变化规律及影响因素，为我们扩容找到理论依据。由于离心式压缩机的级中流道 形状比较复杂，并存在气体的摩擦和边界层，气体参数不仅沿流道每一个截面变化，而 且在任意一个截面上的各点，参数亦是变化的。这就是说，级中气体是一个三元流动。 此外，由于叶轮的叶片数是有限的，在气流所占空间的任一点上，气体参数周期地随时 间而变化，气体的运动是周期性的非定常流动。在气体作三元非定常流动的情况下，研 究级中的气体流动是十分复杂的，因而作一些假设，首先假设沿流道的每一个截面上， 气体参数是相同的，并用某一平均值来表示。这样就是把气流的流动作为一元流动来处 理。同时在取了气流平均参数后，可以认为气流运动是定常流动。由于叶轮对气体做功， 所以叶轮进口到出口截面气体运动速度就有变化。因此在研究叶轮的做功大小时，必须 先讨论叶轮进出口的气流速度。然后利用欧拉方程式来计算叶轮对气体的做功，其关系 如下： = m 2 国= ( c 2 。“2 一c l 。“1 )( 2 1 ) k = 既= c 2 u l t 2 一c l u i t l( 2 - 2 ) k ：既：生+ 华+ c 2f - - c 2 ( 2 3 ) l 二 如果知道了叶轮进、出口气体的速度，就可以计算叶轮对l