АО «НПФ «НевИнтерМаш» уже более 30 лет специализируется на решении полного спектра технических задач от идеи до внедрения центробежных компрессоров предприятий нефтегазоперерабатывающего комплекса. Специалистами фирмы выполняется проектирование, конструирование, производство, поставка, монтаж, пусконаладка, диагностирование, ремонт, модернизация и реверс-инжиниринг как отдельных узлов агрегатов, так и целых компрессорных установок.

На полях Международной Конференции «Компрессорные технологии» в 2022 году АО «НПФ «НевИнтерМаш» докладывало об успешном выполнении одного из последних и значимых проектов – разработки и поставки компрессорной установки высокого давления для технологии гидрокрекинга ПАО «Орскнефтеоргсинтез».

Строительство Установки гидрокрекинга явилось одним из основных этапов Комплексной программы модернизации производства ПАО «Орскнефтеоргсинтез», включенной в список приоритетных инвестиционных проектов Оренбургской области.

В настоящий момент ведётся реализация следующего этапа модернизации производства ПАО «Орскнефтеоргсинтез» – строительство Комплекса замедленного коксования, сердцем технологического процесса которого является компрессорная установка для сжатия газа коксования.

Лицензиар проекта – американская компания Foster Wheeler. Согласно первоначальному проекту в технологической схеме установки на рассматриваемой позиции задействован компрессор американской фирмы Elliott. Однако, как и для Установки гидрокрекинга, для Комплекса замедленного коксования компрессорную установку, являющуюся основным оборудованием технологического процесса, разрабатывает и поставляет АО «НПФ «НевИнтерМаш», осуществляя полный цикл производства от проектирования и изготовления до монтажа и пусконаладки.

Реализация на предприятиях нефтегазоперерабатывающего комплекса проектов современных технологических процессов определяет сложные условия эксплуатации проектируемых компрессоров, предполагая работу машин на различных режимах, требующих кроме детальной газодинамической проработки с точки зрения энергоэффективности также и обеспечение надёжной эксплуатации на каждом режиме, что в свою очередь определяет необходимость особого внимания к материальному, конструктивному и технологическому исполнению основных деталей и узлов.

Так согласно Техническому заданию на проектирование рассматриваемой компрессорной установки генпроектировщиком ЗАО «Нефтехимпроект» определён целый ряд технологических режимов, параметры которых должны обеспечиваться компрессором в зависимости от низкого или высокого содержания летучих в компонентном составе газа коксования с учётом возможного разброса по молекулярной массе газа (до 5 кг/кмоль) и учётом возможности глубокого (×2) регулирования производительности в диапазоне от 60 до 120% на каждом режиме, как для ряда нормальных режимов, так и для ряда альтернативных режимов со значительным (более ×1,5) увеличением производительности; кроме того компрессором должны обеспечиваться параметры пусковых режимов как на азоте, так и на топливном газе в широком диапазоне возможной температуры всасывания газа (0±45°С). При этом компонентный состав газа для первой и второй секций компрессора отличается ввиду особенностей реализации технологического процесса установки, а однокорпусное конструктивное исполнение и направление впускных и выпускных патрубков обеих секций вертикально вверх определены компоновочными решениями и иными соображениями генпроектировщика Комплекса замедленного коксования. 

Отмеченное выше требование обеспечения параметров широкого ряда режимов проекта технологического процесса определило необходимость использования в схеме валопровода компрессорной установки регулируемой редукторной гидродинамической муфты фирмы Voith, имеющей ряд преимуществ перед системой частотно-регулируемого электропривода при реализации проектных технологических, конструктивных и компоновочных решений: это и возможность использования стандартных электродвигателя и соединительных муфт валопровода, и встроенная маслосистема, не требующая дополнительной маслостанции для электродвигателя, и, что наиболее важно, кратное увеличение наработки на отказ и межсервисного интервала.

Однокорпусное двухсекционное исполнение и направление патрубков компрессора вертикально вверх, определённые отмеченными выше проектными решениями, реализованы в схеме ротора с оппозитным расположением рабочих колёс первой и второй секций, что уменьшает результирующее осевое усилие в сравнении с прямоточной схемой, обеспечивая таким образом повышение работоспособности упорного подшипника.

Из соображений повышения надёжности как упорного, так и опорных подшипников, в конструкции компрессора использованы динамические подшипники скольжения с индивидуальным подводом смазки и полимерным антифрикционным покрытием К30ПТ, обеспечивающим снижение потерь мощности на трение, уменьшение пускового крутящего момента, а также повышенную защиту поверхности вала при работе в условиях масляного голодания при пуске и возможность работы с повышенным содержанием газа в масле.

Компоновочными решениями ПАО «Орскнефтеоргсинтез» была определена необходимость монтирования компрессора, редукторной гидромуфты и приводного электродвигателя на единой раме, при изготовлении которой АО «НПФ «НевИнтерМаш» вместо необходимой термообработки крупногабаритной конструкции было реализовано техническое решение задачи снижения и перераспределения остаточных напряжений, а также стабилизации формы и размеров сварной конструкции, методом низкочастотной вибрационной обработки, применяющимся для аналогичных целей в основном в отрасли судостроения.

Особенности конструктивной реализации результатов газодинамического проектирования из условия обеспечения требований технологического процесса и компоновочных решений, определившие использование восьмиступенчатого гибкого ротора с оппозитным расположением секций по четыре рабочих колеса в каждой секции, явилось причиной необходимости решения задачи уменьшения массы ротора и, соответственно, повышения его жёсткости, для обеспечения требуемых отраслевых запасов по частоте отстройки от резонансов на критических частотах вращения ротора в широком (×1,5) рабочем диапазоне от 6200 до 9000 об/мин – решением задачи явилось использование в качестве материала рабочих колёс сплава цветных металлов, позволившее уменьшить массу рабочих колёс практически в два раза.

Корректность расчётной оценки и конструктивного решения по использованию сплава цветных металлов в качестве материала рабочих колёс для обеспечения отстройки от критических частот вращения ротора подтверждены при анализе амплитудно-частотных характеристик в ходе выполнения динамической балансировки ротора.

Рабочий газ на Установке замедленного коксования – это углеводородный кислый газ, по составу схожий с «жирным» газом каталитического крекинга. При этом согласно Техническому заданию на проектирование рассматриваемой компрессорной установки компонентный состав газа может содержать мольные доли до 6% – сероводорода, до 15% – влаги (для первой секции) и до 14% – водорода, что с учётом расчётной величины давления нагнетания каждой секции (0,45 и 1,55 МПа) определяет необходимость подбора материала рабочих колёс, стойкого к коррозионному растрескиванию под напряжением, сульфидному и водородному.

Конструктивное и материальное исполнение деталей и узлов компрессорных установок выбирается в соответствии с наиболее часто применяемыми в настоящее время в практике турбокомпрессоростроения стандартами АPI 617 / ISO 10439 и NACE MR-0103 / ISO 15156 (частичная локализация в РФ: СТО ИНТИ S.60.2–2022 и ГОСТ Р 53678, 53679), предполагающими использование как специальных сталей, так и сплавов цветных металлов, среди которых в качестве материалов рабочих колёс центробежных компрессоров наибольшее употребление получили титановые сплавы. При этом соединения дисков рабочих колёс закрытого типа должны быть сварными или паяными, что не исключает возможность применения и других конструктивных и технологических решений с соответствующими обоснованием и согласованием.

Так, в ходе научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы при реализации проекта компрессорной установки в технологии гидрокрекинга ПАО «Орскнефтеоргсинтез» специалистами АО «НПФ «НевИнтерМаш» были разработаны рекомендации по структурному составу и режим термообработки рабочих колёс в сборе из стали бейнитного класса 14Х2ГМР в клёпаном исполнении, позволяющий сохранить микроструктуру стали, необходимую для обеспечения стойкости материала к сульфидному растрескиванию под напряжением с обеспечением требуемых отраслевых запасов прочности – также было показано, что обеспечить надёжность сварных рабочих колёс в данном случае сложнее ввиду невозможности выполнения сварных швов и зоны термического влияния однородными по структуре по отношению к основному металлу.

Эти разработки применены в проекте центробежного компрессора Комплекса замедленного коксования для выполнения рабочих колёс второй секции компрессора, где меньшими габаритными размера колёс (D2 = 560…500 мм, b2 = 19…8 мм) и меньшей объёмной долей влаги в компонентном составе газа (до 2%) по сравнению с первой секцией, определяется возможность использования стали из условия сопротивления сульфидному растрескиванию под напряжением. Использование в конструкции компрессора стальных клёпаных рабочих колёс для ступеней второй секции оказывается целесообразным как по техническим (надёжность и технологичность), так и по экономическим соображениям.

В качестве материала рабочих колёс первой секции компрессора, где высокая нагруженность ввиду габаритов колёс (D2 = 630…560 мм, b2 = 51…28 мм) и высокое содержание влаги в сероводородосодержащем газе (до 15%) исключали возможность применения стали, как из условия обеспечения сопротивления сульфидному растрескиванию согласно обозначенным стандартам, так и из условия необходимости уменьшения массы ротора для обеспечения отстройки от критических частот вращения ротора, выбран титановый сплав ВТ6С.

Соединение основных дисков с отфрезерованными лопатками и покрывающих дисков титановых рабочих колёс первой секции выполнено методом высокотемпературной вакуумной пайки ленточным титановым аморфным припоем.

Предварительно в ходе научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы отрабатывались методика и технология пайки аморфными припоями, обеспечивающие наибольшие качество и надёжность при изготовлении узлов по сравнению с применяемыми ранее в турбокомпрессоростроении способами пайки.

Следует отметить, что титановые рабочие колёса изготавливаются в паяном исполнении достаточно давно и в России, и в мире.  Однако ранее рабочие колёса изготавливали с использованием припоев в виде порошка или ленты, полученной прокаткой порошка. Но такая традиционная технология затрудняет точную дозировку припоя и увеличивает возможность ликвации припоя при нагреве. Титановый припой в виде аморфной ленты ранее широко применялся лишь при пайке тонкостенных нахлёсточных соединений. Для силовых конструкций из титановых сплавов с тавровыми соединениями, каковыми и являются рабочие колёса ЦКМ, насколько нам известно, это выполнено впервые.

Титановые припои изготавливают из близких к эвтектическим сплавов на основе системы Ti-Cu-Ni, которые в равновесном состоянии являются хрупкими. Возможность получения припоев в виде гибких лент обеспечивается только посредством быстрого (104-106 град/сек) охлаждения расплава, подавляющего кристаллизацию и фиксирующего аморфное состояние расплава. В настоящей работе применяли припой марки СТЕМЕТ 1216 состава Ti-23Cu-9Ni-12Zr в виде ленты сечением 0,04×20 мм – значительное количество меди и никеля по-отдельности и совместно значительно снижают точку плавления титана до температуры 930 ºС.

Проведённые исследования показали, что в паяных силовых конструкциях титановых сплавов необходимо не только обеспечить отсутствие в структуре паяного шва хрупкой эвтектики, но и за счет диффузионного отжига создать условия для отвода легирующих элементов припоя до определённого уровня, для соединений сплава ВТ6С, паяных припоем СТЕМЕТ 1216, соответствующего 3-5% Cu, что достигается отжигом при температуре пайки продолжительностью 4-12 часов в зависимости от величины зазора  и требований к конструктивной  прочности. В ходе отработки технологии показано, что при этом возможно обеспечение равнопрочности шва основному металлу, а поверхность излома образцов характеризуется значительной разветвленностью и имеет вполне вязкий характер.

Важным преимуществом тонких ленточных аморфных припоев является возможность их укладки непосредственно в паяльный зазор, что нейтрализует неблагоприятный эффект ликвации припоя – затекания легкоплавкой составляющей припоя в паяльный зазор, и формирования слоя, чрезмерно обогащенного медью и цирконием. При этом очень важно обеспечить необходимую величину зазоров. Так при больших зазорах в структуре шва даже после длительного отжига могут оставаться хрупкие эвтектики. А рассчитывать, как при сварке, на возможность усиления соединения за счёт увеличения размеров галтели не представляется возможным – галтель паяного шва должна быть минимальной ввиду возможного образования хрупкой эвтектики в её центре.

Также показано, что при проектировании паяных конструкций из (α+β)-титановых сплавов следует использовать основной металл с пластинчатым типом микроструктуры, свойственной сплавам после нагрева в β-области, т.к. она однотипна пластинчатой структуре паяного шва. Кроме того, как известно, пластинчатая структура титановых сплавов обладает повышенным сопротивлением развитию трещины и высоким уровнем малоцикловой долговечности при отнулевом растяжении, что особенно важно для рабочих колёс компрессоров.

Рабочие колёса первой секции компрессора газа коксования, выполненные из титанового сплава согласно рекомендациям разработанной технологии пайки, успешно прошли разгонные испытания в течение 5 минут при скорости вращения 10800 об/мин, что составляло 120% от максимальной рабочей скорости вращения.

Стоит отметить, что большинством зарубежных производителей при разработке центробежных компрессоров в конструкции роторов используются паяные рабочие колёса, и освоение технологии высокотемпературной вакуумной пайки рабочих колёс является необходимым условием для производства конкурентоспособного оборудования.

В настоящее время центробежный компрессор для Комплекса замедленного коксования ПАО «Орскнефтеоргсинтез», в ходе проектирования и изготовления которого АО «НПФ «НевИнтерМаш» реализованы упомянутые современные технические решения, доставлен на производственную площадку заказчика для монтажа и пуско-наладки.