西二線西段壓縮機組關鍵故障分析

葛建剛　李星星　古自強（中國石油西部管道公司生產運行處，新疆烏魯木齊 830011）

西二線西段壓縮機組關鍵故障分析

葛建剛李星星古自強
（中國石油西部管道公司生產運行處，新疆烏魯木齊 830011）

2001年西氣東輸管道的建設，拉開了我國天然氣管道大規模建設的序幕，本文主要結合西氣東輸二線西段管道壓縮機組典型故障的現象，進行了系統的總結分析，明確了壓縮機組發生故障主要原因及后續處理的具體措施和改進建議，提高了壓縮機的可靠性和使用壽命，旨在保證天然氣平穩、高效輸送。為后續管線壓縮機組的運維提供了有效的借鑒。

釬焊 怠速 齒輪箱 孔探 摩擦副

1　概述

西二線西段所轄共14座壓氣站46臺大型離心壓縮機組，其中包括GE公司P G T 25+S A C/P CL 8 0 0系列燃驅機組2 8臺、R R公司RB211/R F2BB36系列燃驅機組6臺、電驅機組12臺（TME IC/PCL800系列機組9臺，TMEIC/H1156沈鼓機組3臺）。

自2010年7月西二線霍爾果斯、紅柳站壓縮機組開始投產測試，2011年12月完成最后一臺精河站壓縮機組的投產測試。截止2014年12月31日，西二線西段壓縮機組累計運行時間512056小時，2015年開始，機組將陸續進入中修周期。

西二線西段壓縮機組投運至今，因設計、現場安裝調試、運維等各方面原因，出現了一些導致設備返廠維修的關鍵故障缺陷。為了更好地總結相關經驗，以下對發生的關鍵故障進行系統總結分析。

2　關鍵故障失效統計

西二線西段壓縮機組自投產至今，累計發生各類導致壓縮機組直接失效的關鍵設備故障9起，主要集中在燃氣發生器本體嚴重損傷，另外，煙墩站RR離心壓縮機平衡氣管線崩脫導致設備嚴重損傷、紅柳站GE燃機齒輪箱損傷做為關鍵故障也各發生一起。詳細情況如下表1所示。

從統計結果看，盡管因輸氣輸量限制，西二線西段壓縮機組投產后，在24個月內的合同約定質保期內，機組發生關鍵故障時的累計運行時間存在較大差異性，但主要發生在機組累計運行時間8000小時以內。

表1　西二線西段壓縮機組投產至今關鍵故障統計一覽表

表2　關鍵故障原因分類統計一覽表

從機組關鍵故障原因來看，產品質量缺陷是導致設備關鍵故障的主要原因，占比達到56%。其次，設計缺陷也占有較大因素，由此導致關鍵故障失效率達到22%。在安裝質量、運維及設計因素也各導致一次關鍵失效故障，分別是瑪納斯站2#機組現場安裝過程中，在油沖洗時回裝錯誤導致一次單向閥閥芯密封“O”型圈斷裂堵塞軸承供油嘴，進而導致GG被迫返廠維修；霍爾果斯4#機組合成油泄漏進入壓氣機空心軸內部，導致水洗后烘干啟機過程中振動高高，保護延時設計過長導致2-13級動葉葉尖嚴重磨損。

從機型看，關鍵故障主要發生在燃驅機組，其中，GE燃驅機組發生5次，RR燃驅機組發生4次。GE機組關鍵故障主要發生在產品質量和設計方面，其中設計因素2次、質量因素2次；RR機組故障則主要集中在噴嘴供貨質量方面控制不嚴，連續導致噴嘴頭脫落而導致機組高壓、中壓渦輪嚴重損傷。煙墩站3#機組離心壓縮機平衡氣管線緊固螺栓崩脫則說明在機組設計方面存在考慮不周的情況。具體分類如下表2和圖1所示。

3　故障描述及分析

在發生的9起關鍵故障中，按照故障原因，可以歸納為四類：產品質量、設計、安裝質量、運維及設計。以下按照故障原因分類，分別予以詳細分析。

3.1產品質量

西二線西段壓縮機組關鍵故障中，因為產品質量因素導致占主要比重，累計9次關鍵故障中，產品質量因素達到5次，占比58%。產品質量故障主要細分為兩類：配套備件供貨質量和OEM工廠自身加工安裝質量。

（1）配套備件供貨質量。

該類故障主要為壓縮機組配套的單體部件存在嚴重的質量缺陷，由此導致該部件運行中突然失效，進而導致機組設備發生嚴重機械損傷。投產至今共發生3起，均為RR燃驅機組燃料氣噴嘴質量缺陷，運行中因此導致噴嘴頭脫落，帶入后續高壓、中壓渦輪，連續導致烏蘇站1#、煙墩站3#、1#燃氣發生器高壓渦輪葉片嚴重損傷掉塊，中壓渦輪動葉出現明顯擊打凹痕等中度損傷，燃氣發生器被迫返廠維修。

在對故障機組噴嘴序列號進行系統排查后，發現故障噴嘴序列號均以K08、K09開頭，經RR公司調查供貨信息，確認以上批次產品為同一廠家供貨，目前西段一線、二線共涉及到7臺機組，其中烏蘇站1#、煙墩站1#、3#機組運行中噴嘴頭脫落導致GG返廠維修，未更換仍在運機組共4臺：烏蘇站2、3#、煙墩站2#、山丹站3#機組，均已經按照RR公司78#技術規范完成全部拆檢、清洗，目前機組處于緊急備用狀態，待備件更換。

該類故障典型特征為GG運行中突然出現機匣振動瞬間突變甚至直接高高報警跳機，對燃氣發生器進行孔探檢查時，會發現高壓渦輪、中壓渦輪動葉出現明顯損傷現象，而前端的高壓壓氣機、中壓壓氣機狀態完好，無任何損傷。對燃燒室孔探檢查，可以發現部分燃料氣噴嘴異常，拆檢燃料氣噴嘴，可以明顯觀察到噴嘴頭已經脫落。具體如圖2和圖3所示。

經最終排查分析，確認故障機組燃料氣噴嘴為同一廠家提供產品，因噴嘴壓蓋與本體釬焊工藝缺陷，釬焊材料用量不足，導致結構強度不夠，運行中噴嘴頭脫落，依次隨高溫高速氣流帶入后續的高壓渦輪、中壓渦輪，進而導致高速運轉的渦輪葉片出現嚴重擊打損傷。

（2）OEM工廠自身加工安裝質量。

在機組成套產品的工廠加工、安裝中，也可能存在控制工序的誤差導致出現設備隱患。在西二線西段共發生兩起相關的設備故障，分別是紅柳站2#機組投產后初期的輸入齒輪箱雙聯止推軸承保持架碎裂、軸承滾珠嚴重損傷，導致相應的輸入齒輪箱（IGB）、傳動齒輪箱（TGB）、附件齒輪箱（AGB）磨損，齒輪箱整體返廠維修；精河站1#機組孔探檢查發現燃氣發生器高壓壓氣機第16級動葉四個葉片有明顯缺陷，其中三個葉片葉根部位有裂紋，現場拆解并予以更換。

對于齒輪箱的損傷，典型故障為軸承回油監控的碎屑檢測器運行中突然報警，并在很短時間內導致合成油回油過濾器差壓報警，回油壓力因過濾器的堵塞而迅速升高。拆檢可以發現碎屑檢測器濾網有明顯的金屬碎屑、顆粒。具體如圖4、圖5、圖6所示。

IGB軸承保持架及滾珠軸承損傷的原因目前仍有一定爭議，但根據目前技術分析，判斷可能原因如下：

1）IGB止推軸承保持架可能存在設計缺陷及軸承質量問題，存在提前疲勞跡象；

2）軸承潤滑噴嘴嘴潤滑油量不足，導致相關軸承潤滑不良，長期運行在高溫狀態下（流量測試低于指標要求）；

3）部分部件緊固力矩超標且不均勻，由此導致相關位置軸承及齒輪軸非水平和不同心過載運行，加劇設備磨損。

綜合而言，IGB雙聯并聯止推軸承可能存在質量缺陷，其工廠安裝中也存在一定安裝質量缺陷，由此導致以上故障的發生。

精河站1#機組燃氣發生器高壓壓氣機第16級動葉缺陷，主要為在工廠的加工、安裝、測試中質量控制出現偏差的結果。在后續孔探排查中，未發現0-15級動葉有任何損傷，入口無進入異物的跡象，拆解后確認共4片葉片存在缺陷，其中3片為葉根出現裂紋、斷裂掉塊，1片為排氣邊出現凹坑且超標。若不及時處理，后續運行中將可能導致葉根出現裂紋的葉片出現斷裂，進而對后續高壓渦輪葉片產生嚴重損傷。因及時發現，現場對缺陷葉片進行了更換，相關信息如圖7所示。

3.2設計因素

設計因素導致的關鍵故障主要在于控制邏輯缺陷及設備動力學計算方面，由此分別導致西二線霍爾果斯4#機組編號641-211的燃氣發生器高壓壓氣機動葉嚴重損傷、煙墩站3#機組運行中離心壓縮機平衡氣管線因高頻振動緊固螺栓斷裂，離心壓縮機轉子及配套軸承、密封等嚴重損傷。

霍爾果斯4#機組編號641-211的燃氣發生器壓氣機5-16級動葉嚴重損傷，主要原因為壓氣機發生喘振。在對機組運行數據進行系統分析后，確認因為VSV反饋信號電纜支撐不規范，導致運行中VSV位置反饋信號丟失，因為燃機控制邏輯設計錯誤，在兩只反饋信號全部丟失時，原有邏輯直接發出VSV關閉指令，由此直接導致高負荷運行的壓氣機發生喘振，最終導致葉片的嚴重損傷。在系統分析后，2013年完成全線GE燃驅機組控制程序的升級，新邏輯在VSV反饋信號全部丟失后，將觸發燃機進入怠速模式，進而消除了發生喘振的風險，同時優化了燃機熱啟及正常停機暖機的邏輯，提高了設備保護的可靠性。對于航空電纜的固定，則全線進行了優化，加裝了專門的固定支架，相應信號虛接現象大幅降低。相關圖8所示。

西二線西段RR燃驅機組離心壓縮機平衡氣管線運行中，檢測管線存在較明顯的高頻振動，對西一線機組進行振動檢測，則未發現類似現象。在2013年5月煙墩站3#機組運行中平衡氣管線高壓側緊固螺栓突然斷了崩脫，導致天然氣大量泄漏，并由此導致離心機轉子軸向力瞬間發生相反的巨大變化，第二級葉輪直接與出口導流葉片刮擦粘死，驅動端干氣密封因軸向串動量過大，超過干氣密封允許的最大軸向串動量（3mm左右）而導致動靜環摩擦副嚴重磨損失效，推力軸承副推力瓦嚴重磨損等，平衡鼓氣封嚴重磨損并粘連，機芯因此無法抽出，最終被迫破壞平衡鼓抽芯返廠維修。損傷情況如圖9，圖10，圖11，圖12，圖13，圖14所示。

針對該故障，在對全線RR離心壓縮機進行排查后，確認僅西二線西段6臺機組平衡氣管線緊固螺栓存在不同程度損傷。在進行振動檢測分析后，發現平衡氣管線整體存在較高頻率的振動，特別在低壓側彎頭處尤其明顯。經過評估，在平衡氣管線處增加一處固定支撐，再次檢測高頻振動明顯降低。從螺栓斷裂的失效分析看，明確螺栓為疲勞斷裂。

3.3安裝質量因素

西二線西段瑪納斯站2#機組運行中合成油供油壓力高高報警跳機，系統排查合成油過濾器、外部油路未發現異常，更換五單元油泵后啟機，隨轉速增加，合成油供油壓力正比增加，接近聯鎖保護值，且對應的4#軸承回油溫度明顯偏高，手動停機。后經通過吸塵器對GG供油管路進行處理，抽出斷裂的“O”型圈，進而對油路進行再次排查，發現合成油供油管路過濾器出口單向閥“O”型圈缺失，由此導致其進入合成油供油管路，堵塞4#軸承供油嘴。

因瑪納斯2#機組投運后還未進入保養周期，現場不存在拆卸的可能性，經與GE現場確認，確定為機組調試油洗期間，拆卸單向閥，并在油洗合格后回裝時，也可能為工廠裝配錯誤，導致以上故障發生。如圖15，圖16，圖17，圖18。

鑒于現場依次通過專用孔探儀檢查，無法發現堵塞的“O”圈殘留部分，且現場嘗試無法有效取出，故將燃氣發生器整體返廠送修，在2013年5月份完成檢修返回現場備用。

另一方面，立即對全線GE燃驅機組合成油管路單向閥進行拆檢，由此發現西二線連木沁站2#機組也存在類似裝配錯誤情況，及時予以更正處理。

由本次事件總結來看，機組定期保養中，對于合成油供油管路單向閥，應進行必要的檢查，作業人員必須明確掌握正確的裝配方式，對于發現密封件損傷的情況，立即予以更換處理。對于合成油供油、回油壓力異常報警，應從系統上更為細致的予以分析排查。

3.4運維及設計因素

西二線霍爾果斯4#機組編號641-217的燃氣發生器為代儲庫備用GG，因2012年12月原先燃氣發生器因VSV控制邏輯缺陷導致壓氣機喘振損傷壓氣機后，調用該臺燃氣發生器更換投用。2014年5 月8日在水洗后烘干啟機的過程中，燃氣發生器因GG機匣振動高高聯鎖跳機。進行孔探檢查時，發現壓氣機2-13級動葉葉片葉尖及2-6級可調靜葉葉頂與轉子存在較為嚴重的磨損現象，燃氣發生器被迫返廠維修。如圖19和圖20所示：

系統檢查，未發現外部進入異物的跡象，進一步拆檢，發現壓氣機空心軸內部存在明顯的進油現象。如圖21所示：

通過趨勢檢查，確認合成油手閥在機組保養期間的8天時間內始終處于開啟狀態。經系統分析，確認合成油通過油箱-合成油泵-附件齒輪箱-傳動齒輪箱-輸入齒輪箱-3#軸承密封氣進氣口進入壓氣機空心軸內部，由此導致轉子動平衡的破壞，高速運轉中出現轉子與靜子部件的摩擦，進而損傷葉片。這也反應出設計上未能充分消除潛在隱患風險，對于合成油系統的設計存在不足。如圖22所示。

另一方面，由振動保護邏輯看，設計上存在延時不當的嚴重問題，進一步核查ESD控制邏輯，確認GE燃驅機組振動及超速保護停機聯鎖均在HIMA中存在15秒延時，在Bently組態中有4秒延時，總計19秒延時，保護延時明顯過長不合理，無法啟動保護設備安全的作用。ESD保護邏輯圖23和圖24所示。

因為延時過長，振動保護未能及時動作，進而導致壓氣機葉片嚴重磨損。

4　經驗總結

從以上西二線西段壓縮機組關鍵故障的分析來看，需要對以下方面進行總結和思考：

（1）對于新機組的采購，必須在技術規格書的評審階段，做好把控，結合以往運維經驗，及時明確相應的技術細節要求，杜絕和消減以往缺陷和潛在風險。同時，現有新機組招投標階段，必須提高屬地方的把控權限，切實將合理、寶貴的運維經驗融入新機組的技術指標規范中；

（2）必須細化壓縮機組自安裝、調試、運行、維護檢修全過程的管理規范，全面介入全過程的管控。現有的建管模式，對于設備的現場安裝、調試階段在屬地管理上存在一定缺失，監管更多地局限在監理層面，對最終設備的長周期全壽命運維可能會導致一定的隱患，應全面推行屬地單位關鍵節點質量驗證措施；

（3）切實落實新機組的質量驗收，重視新機組投產測試后設備本體質量檢驗，在做好投產測試運行監控參數的分析同時，及時開展諸如燃氣發生器孔探檢查、關鍵部件目視檢查等工作，及早發現潛在隱患；

（4）合理調配機組運行方式，盡可能在質保期內做好新機組的運行考核，并對相關質保商務條款進行必要評估，不斷優化細化相關條款，切實保障自身利益；

（5）不斷提高員工業務素質，提高故障的系統化分析能力，及時建立和完善系統化分析平臺，對于異常報警及參數變化，及時開展系統化分析。對于典型故障，實施完善和修訂相應的操作運維規程，并及時開展必要的經驗分享；

（6）重視基礎管理，做好轉動設備振動監控與分析、滑油系統的定期分析、維護等基礎工作，切實提高設備運行環境。

［1］陳林根，吳晏，孫豐瑞.燃氣輪機循環有限時間熱力學分析：理論和應用［J］.燃氣輪機技術，2001年01期.

［2］殷豪，孟安波，彭顯剛.大型燃氣輪機檢修策略的研究［J］.電站系統工程，2009，04：36-38.

葛建剛，男，漢族，新疆烏魯木齊人，畢業于蘭州大學化學系有機化學專業，理學學士學位，現工作于中國石油西部管道公司，生產運行處、工程師，研究方向：壓縮機運行。