延遲焦化裝置富氣壓縮機軸彎曲事故分析

杜曉吉，劉玉平

（陜西煤業化工集團神木天元化工有限公司，陜西榆林 719319）

1 設備概況

延遲焦化裝置富氣壓縮機為雙螺桿壓縮機，設計參數見表1。

表1 壓縮機設計參數

2 故障現象

壓縮機運行過程中因電氣原因跳車，再次啟車后，壓縮機機體振動劇烈，隨后按程序停機，對壓縮機進行解體檢查。現場檢查發現:①陽轉子變速齒輪平鍵沿水平面剪切斷裂；②陽轉子靠吸入側氣封處，軸彎約0.11 mm；③陽轉子軸頸與氣封均嚴重磨損。圖1 為切斷后的陽轉子平鍵斷裂，圖2 為陽轉子軸頸磨損情況，圖3 為陽轉子SRM 型線靠吸入側磨損情況，圖4 為陽轉子吸入側氣封處軸頸磨損情況，圖5 為陽轉子機殼吸入側氣封嚴重磨損情況，圖6 是富氣壓縮機出口配管。

3 原因分析

3.1 平鍵剪切斷裂分析

3.1.1 平鍵材料確定

由于現有的光譜儀只能分析合金元素，無法對鋼中的碳元素準確定量，現場用火花簽別法初步確定平鍵材料。

（1）低碳鋼（20#）火花:花量極少，芒線二、三叉而呈星形，花角狹小，流線帶紅色而稍暗，火束細長，全體帶紅色。

（2）中碳鋼（30#～45#）火花:芒線十數叉而花頭形尖，呈星形，在花尖上有小花及花粉發生，花數約占全體1/2 以上，火束較低碳鋼稍明亮而粗，火花盛開。

（3）現場簽別，接近于低碳鋼而非常用的45#鋼，在相關手冊中，只找到45#的在沖擊載荷下的許用剪應力[τ]，而找不到剪應力的極限值，綜合前面材料因素，暫以許用剪應力替代極限剪應力進行計算。

3.1.2 平鍵折斷時的轉矩、電機功率、電機電流計算

圖1 切斷后的陽轉子平鍵斷裂

圖2 陽轉子軸頸磨損

圖3 陽轉子SRM 型線靠吸入側磨損

（1）平鍵折斷時的轉矩T=（S-S1）×[τ]×（D/2）。其中，T 是平鍵折斷時轉矩，N·m；S 是平鍵橫載面積，m2；S1是平鍵工藝螺栓孔橫載面積，m2；[τ]是極限剪應力，MPa；D 是軸的直徑，m。

（2）電機功率P=T×ω。其中，P 是平鍵折斷時電機功率，不考慮效率，kW；ω 是轉速。

（3）電機電流I=P/（1.732×U×ψ）。I 是平鍵折斷時電機電流，A；U 是電機電壓，V；ψ 是功率因素，取值0.85。

平鍵折斷時的轉矩、電機功率、電機電流的計算結果見表2。

對Y 系列三相異步電動機，在JB/T 10391—2002 《Y 系列三相異步電動機》標準中有明確規定，電機的堵轉電流與額定電流之比大致如下（該值按小功率電機選取，電機功率較大時，其值應適當下調）:同步轉速3000 r/min 時，堵轉電流與額定電流之比為7.0；同步轉速1500 r/min 時，堵轉電流與額定電流之比為7.0；同步轉速1000 r/min 時，堵轉電流與額定電流之比為6.5[1]。

因存在特殊工況原因，導致轉矩上升到前述值，當電機再啟動時，可在很短時間內將平鍵切斷。

圖4 陽轉子吸入側氣封處軸頸磨損

圖5 陽轉子機殼吸入側氣封嚴重磨損

圖6 富氣壓縮機出口配管

表2 轉矩、電機功率、電機電流計算結果

3.2 壓縮機轉子轉矩、電機功率增大原因分析

螺桿壓縮機陽陰轉子工作原理[2]與往復壓機相同，陰轉子相當于氣缸，陽轉子相當于活塞，其氣流方向與轉子軸線有一個較大的角度，對轉子有較大徑向分力。

螺桿壓縮子陰、陽轉子工作過程為吸氣、壓縮、排氣3 個過程。在壓縮過程中其密封腔是封閉的，通過容積不斷減小，提高氣體壓力至額定值后，進入排氣過程。

正常工作過程中，為降低排氣溫度，冷卻轉子，在壓縮機入口端設置有噴淋裝置，進行噴水冷卻。

水是液體，壓縮系數很小，在工程上認為是不可壓縮的。如果在啟車階段，壓縮機機體內存有大量的水，則在壓縮階段隨著密封容積的減小，壓力會上升到非常高的數值（如果此時系統有較高的背壓，而壓縮機出口至入口回路閥門未開或未全開，更加劇此種現象）。不可壓縮的流體只能從頂間隙、側間隙、泄漏三角形等微小縫隙處以聲速或近于聲速流出，造成轉子振動，同時過大的徑向力產生的彎矩足以將轉子壓彎，使轉子與殼體相碰，造成故障。此時壓縮機瞬間軸功率和轉矩非常高，遠遠超過電機功率和平鍵所能承受的極限轉矩。

3.3 機體冷卻液積存原因分析

從圖6 現場設備配管情況分析，由于出口分液罐和富氣壓縮機相對位置存在問題，分液罐的入口標高比壓縮機出口高，導致壓縮機出口管線成U 形彎狀。停車時，出口管道的余壓會將水壓入壓縮機殼體內，如沒有較高的氣速，水基本充滿后方流入分液罐，此種狀態下啟機，極易造成壓縮機軸彎故障。

螺桿壓縮機是運行非常穩定的設備，只要保障油、水系統就可以保證運行穩定。

多起螺桿壓縮機故障的原因幾乎全是水系統的問題。以前對斷水、缺水有較高的警惕性，對壓縮機噴淋水過濾器壓差及排氣溫度控制得非常嚴格。但在啟車階段，機體內存在大量的水而未作處理，其危害可能更大。

3.4 其他原因分析

富氣壓縮機陰、陽轉子SRM 型線磨損，只是在陽轉子靠吸入側有少許擦傷，根據以往經驗分析，可以基本排除噴淋水中斷和入口過濾器堵塞導致吸入口真空等原因。

壓縮機帶壓啟動時，出口管路系統尚有較高的背壓，壓縮機出口至入口回路閥門未打開，電機的啟動電流會非常高，也會出現前述的現象。在壓縮機操作法中，對此有明確的規定，除非誤操作，否則不會出現此類情況。

4 結論

綜上所述，該富氣壓縮機事故主要原因是安裝過程中未能充分保障分液罐與機體高差，導致停機狀態下機內存水未能排出，壓縮機帶液啟動，發生損壞。

5 處理方案

除按規程修復壓縮機主機外，采取下述措施避免同類事故的發生:

（1）降低出口分液罐安裝高度，保障其與壓縮機本體出口具有合適高差，保障機體內冷卻液及時排出。

（2）重新配管，壓縮機本體出口端避免出現U 形管路而導致積液。

（3）啟機前保證分液罐留有充足儲液空間，防止管路帶液。