英格索蘭空氣壓縮機頻繁跳車原因探析

孫武(中國石化海南煉油化工有限公司，海南 儋州 578101 )

0 引言

英格索蘭空氣壓縮機屬于離心壓縮機，相比于其他種類的壓縮機而言，離心壓縮機的應用成本較低，且操作簡單、維修難度較低，故而在國內工業領域、石化產業均得到了良好的發展。但由于我國離心壓縮機的研究設計和生產起步較晚，因此在產品運行的過程中經常存在跳車問題。為此本文針對英格索蘭空氣壓縮機頻繁跳車的問題展開了探討，目的是解決這一重要的設備缺陷，利于化工生產的安全與穩定。

1 空氣壓縮機概述

空氣壓縮機是一種壓縮空氣的工具，空氣經過壓縮后，其空氣壓強會增加，從而獲取壓力，用于相關設備的運轉。空氣壓縮機在電力能源的驅動下開始運轉，隨后將電力能源轉化為機械能，利用機械能生產壓力，形成空氣的內能。就目前情況而言，隨著空氣壓縮機設備的發展與引用，其在我國鋼鐵、石油、化工和醫療等諸多領域得到了普及和應用。

在石油化工領域中，空氣壓縮機的主要應用于合成、提純與充氣當中，然而在實際使用過程中，由于石油化工領域生產加工產品大部分需要在高壓、高溫的環境下進行，且工作環境較為復雜，其中還存在酸性氣體、酸性物質等容易導致空氣壓縮機受到腐蝕而損壞，從而導致空氣壓縮機的使用性能大幅度降低，極有可能存在氣體純度降低、充氣不足等問題，致使空氣壓縮機出現跳車問題，致使空氣壓縮機的使用壽命受到嚴重的影響，甚至有可能引發氣體泄漏等重大事故，對企業的經濟效益及社會效益都將產生嚴重的損失，因此做好空氣壓縮機的故障處理是十分重要的。

2 工程概況

為了更好地分析英格索蘭空氣壓縮機頻繁跳車原因，選擇以國內某石化企業為例，該企業于2006年引進5臺英格索蘭離心式空氣壓縮機，型號為C80M*3。該空氣壓縮機在使用的過程中，存在聯鎖跳車故障，影響企業的生產進度，同時也對英格索蘭空氣壓縮機本身的使用壽命帶來不利的影響[1]。為此，企業技術人員開展了對英格索蘭空氣壓縮機頻繁跳車原因的分析。

3 英格索蘭空氣壓縮機工作原理及特點分析

3.1 英格索蘭空氣壓縮機的優勢

該企業引進的英格索蘭空氣壓縮機的控制系統采用的是微電腦控制，這使得該英格索蘭空氣壓縮機有以下三個方面的主要優勢：

第一，英格索蘭空氣壓縮機通過微電腦控制能夠實現英格索蘭空氣壓縮機的相關參數值，包括壓力值、溫度值等。

第二，利用微電腦實現人機交互，工作人員可在計算機輸入運行指令，啟動英格索蘭空氣壓縮機運轉，同時通過檢測運行指令的執行狀況也能夠掌握英格索蘭空氣壓縮機的運行狀況[1]。

第三，英格索蘭空氣壓縮機具備監控功能，當英格索蘭空氣壓縮機出現運行故障時，系統會自動發出預警并緊急停止英格索蘭空氣壓縮機的運轉，避免英格索蘭空氣壓縮機出現進一步的損傷。

3.2 英格索蘭空氣壓縮機工作原理分析

通過上文分析可知，該企業采用的英格索蘭空氣壓縮機為離心式壓縮機，而離心壓縮機在運行的過程中，是利用葉輪旋轉產生離心力作用增加氣體壓力的旋轉機械能。當英格索蘭空氣壓縮機運轉后，壓縮機內的葉輪開始旋轉，且旋轉速度越來越快，而此時葉輪的旋轉將對空氣產生離心力，空氣運動、流向便是葉輪的旋轉方向，伴隨著葉輪的轉速增加，離心力也會增加，通過與葉輪相配合的擴壓器，將速度能轉換成壓力能，氣體壓力變大，空氣被擠壓到管道中，形成壓縮空氣。

空氣壓縮機的主要結構包括轉子組件、滑動軸承、擴壓器、級間冷卻器、殼體等。葉輪是離心式空氣壓縮機機械能生產的主要來源，是空氣壓縮機的核心部位，裝在轉子軸上，并用高強度螺栓固定。當空氣壓縮機啟動后，電力能源通過聯軸器轉化對壓縮機的機械性能，壓縮機轉子轉動，通過葉輪，將機械能轉化為空氣的速度能，再通過葉輪擴壓器，將速度能轉化為壓力能，最終通過PLC控制系統，輸出讓裝置滿意的生產的規定壓力。若在實際使用英格索蘭離心式空氣壓縮機時對壓力要求比較高，可選擇增加葉輪的方式提升氣體壓力，通常情況下，增加的葉輪與空氣壓縮機原葉輪串聯。

機體主要指的是空氣壓縮機的殼，其能夠對空氣壓縮機的內部零部件提供一定的保護作用，同時能夠給予空氣壓縮機良好的密封環境，促使空氣壓縮機能夠穩定的生產空氣內能。

滑動軸承支撐葉輪轉子組件，其功能是對葉輪的旋轉提供支撐，并保證葉輪的穩定性。當葉輪伴隨著轉子組件的運動開始運動時，隨著葉輪速度的增加，其慣性也就越大，而此時，葉輪承受的轉子徑向力也就越大，故而需要軸向推力軸承平衡轉子組件一部分軸向力，幫助轉子能夠更好的承擔葉輪的徑向力。

3.3 英格索蘭空氣壓縮機特點分析

第一，英格索蘭空氣壓縮機在葉輪旋轉一周，氣體便會自動的向管道排出，由于英格索蘭離心式空氣壓縮機葉輪的旋轉速度較高，故而其排氣頻率較高，且在排氣較為穩定，排氣時并未產生明顯的脈動。

第二，英格索蘭空氣壓縮機運行可靠性較高，該空氣壓縮機的主要做功部件未高速運轉的葉輪，其主要部件也就是軸、滑動軸承與葉輪，這也就說明，該空氣壓縮機的運動部件較少，在使用時，僅需要保證葉輪的運行穩定性即可[2]。

第三，在英格索蘭離心式空氣壓縮機內還包含過濾器、水冷卻器等組件，但這些組件均是可拆卸的，故而其保養工作相對便捷，并不需要高精度技術進行養護工作。

第四，英格索蘭離心式空氣壓縮機主要由微電腦進行控制，利用PLC控制系統進行指令的變成，并輸入微電腦中促使英格索蘭空氣壓縮機能夠自動完成工作，且當存在運行故障時，微電腦也可根據指令的執行情況判斷是否存在故障，若存在故障可自動停止設備的運轉，故而其自動化程度較高，非常適用于現代石油化工企業。

第五，英格索蘭離心式空氣壓縮機采用的是整體撬裝的形式，占地面積小，其整體處于相對平衡的狀態，且其在運行過程中也不會產生不平衡力影響設備的運行穩定性，故而在實際使用英格索蘭空氣壓縮機時，僅需將其放置于平坦的地面即可，并不需要為其配備固定支架、支座等，其使用較為便捷。

4 英格索蘭空氣壓縮機故障分析

4.1 主要故障描述

2006年10月，該企業發現英格索蘭離心式空氣壓縮機存在跳車現象，隨后，跳車現象出現頻次顯著增多，2006年至2015年5臺空壓機累積出現98次跳車現象，當英格索蘭空氣壓縮機出現跳車之后，控制面板主要顯示二級、三級振動值高連鎖停機或級間溫度高連鎖停機等信號[3]。

4.2 故障原因分析

根據上文描述可知，該企業的英格索蘭空氣壓縮機跳車故障主要包括兩種：一種為“轉子振動值高”聯鎖故障；另一種為“級間溫度高”聯鎖故障，具體分析情況如下。

4.2.1 聯軸器故障引起的異常振動

該壓縮機運行15個月后正常計劃檢修，拆卸壓縮機各級殼體、冷卻器，清洗葉輪、級間冷卻器，復查各部間隙正常，回裝后開機正常，并運行。開機58小時后，壓縮機一級振動緩慢上漲，機身伴有異常振動，因壓縮機剛檢修，排除轉子組件故障，通過分析，認為是聯軸器部分故障。

聯軸器形式為齒式聯軸器，軸與聯軸器為過盈配合，過盈量0.15 mm。拆卸壓縮機端聯軸器外圈，發現壓縮機端聯軸器內外齒磨損，造成壓縮機對中不良。在內外齒緩慢惡化過程中，振動逐漸增大，造成一級振動升高。因聯軸器過盈量較大，30 t液壓拉力配合加熱無法取出，故采取破壞性拆除，損壞齒如圖1、圖2所示。

圖1 壓縮機端聯軸器損壞外齒

圖2 壓縮機端聯軸器正常外齒

確認故障原因后，采取更換整套齒式聯軸器措施，壓縮機恢復開機正常，實現穩定運行。

原因分析：由于壓縮機端齒式聯軸器外齒只能向壓縮機機體端后移，移動距離很短，不能全面徹底檢查內外齒的磨損情況，造成檢修時檢查死角，未及時發現故障隱患進行消除，進而引發該故障。

預防性措施：該聯軸器連續運行15年未更換，只是進行每次的例行保養，存在疲勞損壞原因。為避免類似故障發生，制定了以下措施：(1)增加保養頻率，由每年1次，改成2次；(2)每個大檢修周期(4～5年)更換新齒式聯軸器。

4.2.2 推力軸承故障引發各級振動加劇

某臺壓縮機運行6個月后，一二三級轉子振動同時波動，初步分析原因為儀表控制系統故障。壓縮機轉子一二三級為電動機驅動大齒輪同步驅動，以前發生故障均為單級振動波動，沒有發生三個轉子同時波動情況。根據故障現象，儀表專業更換了控制柜部分組件，檢驗正常后開機，壓縮機加載到0.89 MPa工作壓力后，運行2分鐘壓縮機突然跳停，由此可見一二三級振動波動并非儀表專業故障。

對壓縮機故障重新組織分析，可能是聯軸器引起的故障，也有可能是某一級轉子振動較大，通過壓縮機大齒輪發生的振動傳遞，造成所有轉子振動同步波動。立即組織檢修人員，對壓縮機進行拆檢，檢查各級轉子葉輪正常，檢查聯軸器正常，決定深度檢修，拆卸所有轉子組件、滑動軸承。

拆卸各級轉子組件、滑動軸承、主副推力盤軸承，發現二級主推力軸承推力面有嚴重損壞痕跡，與之配合的推力盤表面確完好無損。通過分析，該推力軸承推力面長期承受推力盤的擠壓，在潤滑不良，轉子高速運轉沖擊下，會造成推力面巴氏合金溫度升高，表面變軟，瞬間疲勞脫落，并留下高溫燒焦痕跡。

更換二級推力軸承后，壓縮機試運行，各級轉子長時間無振動波動，運行平穩，正常開機。

原因分析：檢修深度不徹底，致使問題隱患未及時發現，同時故障分析還是不準確，存在憑經驗盲目處置的問題。

預防性措施：在檢修策略中增加了每2年全面解體各級轉子組件及滑動軸承的條款，消除壓縮機隱患，避免設備事故發生。

4.2.3 轉子葉輪故障引起的三級振動驟升

該壓縮機在計劃檢修后，正常運行，在運行9個月后，三級振動由8.1×10-3mm突然升高至4.6×10-2mm(報警值2.8×10-2mm，跳停值3.3×10-2mm)，一二級振動正常，機組三級振動高連鎖停機。通過分析，確認是轉子部件出現問題，動平衡被瞬間破壞，在高轉速情況下(三級振動27 000 r/min)轉子失穩，振動突然變大。

拆卸壓縮機三級殼體，檢查發現葉輪中2片葉尖缺失，造成動平衡破壞，振動瞬間升高，達到跳停值，受損葉片如圖3所示。

圖3 損壞三級葉輪葉片

葉輪為整塊鍛件，通過五軸聯動機床切削加工而成，各種力學性能良好，葉輪使用時間為5年，在正常壽命內，判定是壓縮機流道內進入硬質物，在高速運動中對葉片造成強烈沖擊，導致葉片損壞，振動驟升。

由于葉輪損壞程度較大，無法通過激光融合等工藝修復，同時葉輪高速運轉，就算修復也會存在運行隱患。最終決定更換新轉子組件，保證機組平穩運行。

分析原因：壓縮機三級殼體為碳鋼結構，為減少壓縮空氣介質阻力，設計為流線型。空氣在壓縮后會含有大量凝結水，在一二級輸水不暢的情況下，會將大量的凝結水帶著三級流道內。三級殼體材質原因，會受到凝結的腐蝕，在長期作用下，會存在銹塊整體脫落的可能。

預防性措施：(1)對水汽分離裝置進行改造，增加凝結水的疏出，減少壓縮空氣中的水分；(2)內次檢修對三級殼體機器除銹，徹底清理表面不穩定銹跡層，杜絕大塊銹塊脫落，對轉子造成影響。

按照上述要求檢修后，目前為止，未出現轉子葉輪葉片受損問題。

4.2.4 轉子葉輪積碳引起的轉子振動

壓縮機在高速運轉過程中，會增加空氣的流動速度，在通過擴壓器，將速度能轉化為壓力能，在此過程中，壓縮氣體溫度會變高，由于大氣中的空氣不是很純凈，含有不少微小顆粒雜質。在與空氣一起流動的過程中，在與空氣接觸時有凝結水的存在，會變得濕潤，在經過葉輪時，少量顆粒會附著在葉輪表面，然后在葉輪能換轉換，形成額高溫作業下，附著在葉輪表面的顆粒會變硬，跟隨葉輪一起轉動。在持續運行過程中，葉輪表面顆粒會越來越多，最終會導致轉子振動非常緩慢上升，達到一定時間后就會振動接近報警值、停機。

原因分析：轉子葉輪結垢，會嚴重影響動平衡，振動變大，只有解決了空氣中含有的微小顆粒問題，才能消除結垢影響。

預防性措施：(1)提升壓縮機如果過濾器精度，在不影響入口氣量情況下，使用更高一級精度的過濾器；(2)改善壓縮機入口空氣環境，增加壓縮機吸入口高度，越高的地方灰塵越少，葉輪較少積碳。

經過上述改造，壓縮機葉輪積碳情況明顯好轉，運行周期穩步延遲。

4.2.5 冷卻器密封膠條缺陷造成故障

密封膠條是隔離壓縮空氣冷卻前和冷卻后的重要輔件，如果密封膠條出問題，會導致大量壓縮氣體不經過冷卻器降溫，直接進入下一級壓縮，造成溫度疊加升高，最終會導致壓縮機由于級間溫度高聯鎖報警，或者停機故障。

某臺壓縮機正常計劃檢修后，運行8個月，二級出口溫度高報警，需要再次檢修。通過分析，級間溫度升高，可能是冷卻水系統出問題，或者是冷卻器密封系統問題造成。

檢查冷卻水過濾器，無堵塞；通過專用儀器測冷卻水流量，與其他4臺壓縮機一樣，流速正常；檢查冷卻水壓力正常，初步判斷為冷卻器問題。

拆卸壓縮機二級殼體，抽出冷卻器芯，發現密封膠條老化、發脆，已沒有任何延展性，稍微用力變斷成幾節，沒有密封的作用。因此導致大量二級壓縮出來的高溫沒有經過冷卻器冷卻，直達二級出口，造成二級溫度高的現象。新、舊密封膠條的對比，及使用后老化的情況如圖4和圖5所示。

圖4 冷卻器新密封條的狀態完整

圖5 舊密封條已老化、變脆，失效

原因分析：通過檢測分析，確認該密封材料是通過模具硫化一次成型的氟橡膠，使用日期尚在保質期內。通過實踐證明，該材質密封膠圈不適合在此工況下的設備運轉密封要求，必須進行材質升級，才能滿足壓縮機的使用工況。

預防性措施：通過對橡膠產品性能對比，全氟醚橡膠材質密封膠條性能更優越，更能使用該壓縮機工況，隨即覺得更改密封膠條材質。經過驗證，全氟醚橡膠密封膠條使用壽命比氟橡膠在相同環境壽命延長3倍，可實現設備長周期運行的效果。

5 結語

綜上所述，壓縮機在經過長時間運行后，所有部件都會出現使用性能下降、壽命衰減情況，故設備故障也是多種多樣的。這就要求檢維修深度不斷加大，盡量及時發現設備隱患，進行消除。發現設備問題后，一定要組織深入分析，通過制定預防性措施，或者設備改造計劃，找出最合理的解決問題辦法，徹底消除潛在的和可能發生的設備故障，才能真正實現設備的長周期運行的目標。