螺桿式空壓機的結構分析及其故障研究

張德江

［中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452］

目前，海上平臺為現場提供空氣動力的設備主要是電動機驅動的空氣壓縮機系統。空壓機按照其結構形式，又可以分為往復式和旋轉式兩種。現在海上平臺所使用的空氣壓縮機，基本上都是雙螺桿旋轉式空壓機。

雙螺桿空壓機的主要特點是安裝方便、占地面積小、噪音小、振動小、結構簡單和便于維護和保養。相對于陸地上使用的設備對備件的要求，海上平臺設備在使用的過程中的易損件采購、運輸、儲存、使用、報廢等一系列環節，有更嚴格的要求。而且面對海上潮濕、含鹽度高、腐蝕性強的特點，要求雙螺桿空壓機的使用必須滿足結構簡單、操作方便、利于維護和保養等特點。

1 螺桿式空壓機組的組成和工作原理

目前，海上平臺空氣壓縮機大多采用螺桿式空壓機是電動機作為驅動，單級壓縮的雙螺桿式空壓機。主要是由一臺頻率為50Hz的電機，通過變速齒輪箱將扭矩傳遞給雙螺桿泵，再由兩根螺桿的陰陽轉子相互嚙合后，將由進口吸入的空氣和滑油的混合物進行壓縮，形成高壓的油氣混合物，通過出口進入油分離器。在油分離器里，來自高壓的油氣混合物通過高速離心作用使得氣液分離，油滴通過重力流入油分離器下面進入油冷卻器，通過風冷系統對滑油進行冷卻后重新進入泵頭，完成一個循環；而含少量油液的氣體，通過有分離器芯，進一步分離油氣，氣體通過最小壓力閥進入冷卻器，冷卻后的高壓氣體通過干燥塔進入壓力儲罐，作為現場公用氣和儀表氣的儲氣罐。

空氣壓縮機、過濾器和干燥塔構成了空壓機系統，完成了常溫常壓空氣轉變為高壓氣體的過程。其主要由以下組成。

2.1 進氣過濾系統

螺桿式空壓機的進氣濾器，主要是由濾芯、防護罩、導管、進氣蝶閥組成。為保障進氣濾器的清潔，需要在月檢、季檢、年檢的過程中，對進氣濾器的濾芯進行檢查，發現灰塵及時用壓縮空氣進行吹掃。在做2 000h維保時，需要將此濾芯進行更換，以保障設備穩定運行。

1.2 螺桿壓縮機和電機總成

海上平臺所使用的雙螺桿驅動的空氣壓縮機，作為其動力系統，一般采用電機對其進行驅動。電機多采用鼠籠式三項異步電動機，其主要的特點，日常維護保養方便，運行穩定可靠，特別是在海上高潮濕、高鹽度的情況下，能夠保障內部不受腐蝕影響正常穩定的運行。

由電動機提供扭矩，通過齒輪箱將扭矩傳遞到螺桿泵，驅動螺桿泵做功，完成對空氣的壓縮。

1.3 帶冷卻器的壓力潤滑系統

從圖1看出，滑油冷卻系統主要有以下結構：滑油冷卻器、溫控閥、滑油過濾器、滑油斷油電磁閥及之間的連接管線組成。其基本原理為：空壓機機頭的陰陽螺桿在進行相對運動時，將壓縮空氣和滑油混合進行壓縮，進入滑油冷卻器。在滑油冷卻器內分離出氣體和滑油。高溫的滑油（此時溫度在90℃左右）通過管線到溫控閥。一般情況下，溫控閥的打開溫度為65℃，當溫度低于這個溫度時，溫控閥關閉，滑油通過油過濾器過濾雜質后，重新回到機頭參與下一次循環。當滑油溫度高于65℃時，溫控閥打開，此時的滑油通過滑油冷卻器進行降溫，滑油冷卻器的溫度一般控制在95℃左右，然后回到機頭，參與下一次壓縮循環。正常情況下，此濾器需要 2 000h一更換，以保證滑油過濾效果。一般故障現象為：

圖1 滑油冷卻系統

（1）滑油冷卻器一般為風冷翅片式冷卻器，在設備運轉過程中，很容易造成翅片臟堵，尤其是夏天，昆蟲被吸入翅片引起臟堵占主要原因。每天日常巡檢過程中，需要及時對這些臟東西進行清除，防止堵塞散熱通道造成的散熱效果差。正常情況下，可以用高壓空氣進行清理，清理過程中，要對換熱器逐層進行清理干凈。清理過程中，嚴禁用銳利的工具對換熱器進行清理，防止換熱器損壞而導致滲漏。

（2）在冷卻器制作時，對焊接工藝把關不嚴，造成肉眼無法檢查出的焊接沙眼的出現，雖然在出廠時進行了水壓和氣密實驗，但是這樣的空隙非常小，基本上無法檢測出來。伴隨著海上高濕高鹽度造成的金屬腐蝕，造成腐蝕部位沙眼進一步擴大，逐漸達到滲漏的標準，隨之出現了滑油滲漏。也可能在運輸的過程中，換熱器包裝的容器內含有尖銳物質造成換熱器的傷害，隨著使用時間增大，逐漸產生滲漏。這種情況一般很難發現其滲漏位置，雖然在滲漏的過程中滑油會形成一定的油污區，但是依然無法準確地判斷出滲漏位置。這就需要使用者從生產、包裝、運輸、安裝、使用等一系列的過程中，嚴格做到保護好換熱器的表面，防止換熱器表面漆被破壞，盡量減少因為腐蝕造成的換熱器非正常損壞。

（3）管線接頭O型圈損壞，造成密封不嚴導致的滲漏。壓縮機管線連接密封圈，一般為橡膠制作的O型圈，受工作環境的溫度影響，O型圈老化程度一般都比較快。在日常維保的過程中，如果發現O型圈失去彈性、表面硬化失去彈性、產生斷裂、劃痕等情況，這樣的O型圈都需要及時進行更換。廢棄的O型圈嚴禁繼續使用。需要注意的是，橡膠表面產生油污很容易造成O型圈過早老化，最終提前失效，最終破壞。

（4）在對空壓機維保時，要嚴格按照操作手冊上的說明，對設備進行維護保養，定時對空壓機進氣濾器、油濾器、油分離器芯和滑油進行更換。為保障滑油的質量，每季度需要取樣對滑油進行化驗，當出現不合格情況，需要及時進行更換，防止因為滑油產生對機組的危害。由于滑油在油分離器內流動，必將產生靜電，在對油分離器芯進行更換時，嚴禁對分離器芯側端的金屬導電絲拆卸，以防止靜電聚集產生危險。

1.4 油分離及排放系統

雙螺桿壓縮機的油分離系統，主要包括：油分離器、油分離器芯、安全閥、單流閥、油冷卻器、冷卻風扇及其附屬軟管。海上油田目前廣泛采用的空壓機的油分離器的基本原理，主要是利用空氣和滑油的混合體，在高速離心力的作用下，利用重力，油滴落在油分離器的底部，而氣體通過油分離器芯，進入分離器頂部，再通過頂部的最小壓力閥最終到達滑油冷卻器。最小壓力閥只有分離器內的壓力值超過一定壓力（一般為公斤左右時）才能打開，用來防止系統內的高壓氣體向分離器內倒流。油分離器芯的作用是將油氣分離開來，為了保證分離的過程中產生的靜電對設備產生危害，特別在分離器芯與分離器壓蓋之間的墊片上，安裝有傳導靜電用的金屬，來防止靜電造成危險。分離后的氣體隨著管線進入滑油冷卻器，進行冷卻降溫后，進入公用系統；滑油則返回機頭，進行下一次循環。

油分離器內的滑油，一般加到視鏡的1/2至2/3的位置，如果加油過多，可以從油分離器下方的放油口進行泄放。為保障撬內衛生，可以在放油口位置安裝一套管線，放油時將廢油引致撬外。

1.5 干燥塔

干燥塔的原理為經過空壓機加壓降溫后的高壓氣體，通過一組集成多路閥組進入互為再生備用的兩個干燥塔，多路閥通過儀表氣控制閥的開關。由于海上工作環境潮濕多鹽，而且加上閥門開關動作頻繁，極易造成閥門卡滯、不能開關到位的現象，造成干燥塔的故障。具體表現為：

（1）閥門的執行機構開關過于頻繁導致執行機構的接觸面產生應力損壞，具體表現為受力接觸面硬磨損、卡滯，氣動執行機構由于雜志造成開關不到位、開關不嚴的情況。遇到這類問題，需要現場維保人員定期對閥門的執行機構進行維護保養，定期檢查、更換易損件，對執行機構定期檢查、潤滑，保證執行機構的可靠性、完整性和完好性。如果在檢查保養期間，發現閥門的執行位置有磨損、卡滯現象，需要及時對設備進行切換后，將閥門拆卸下來進行檢修，防患于蔚然。

（2）對干燥塔濾料定期進行檢查。干燥塔濾料成分為活性氧化鋁，是一種多孔、高分散度的固體材料。具有吸附性、優良的熱穩定性，其顆粒度均勻，表面光滑，機械強度大，吸濕性強，吸水后不漲不裂保持原狀，而且無毒、無臭、不溶于水?；钚匝趸X是一種微量水深度干燥的高效干燥劑。干燥塔內的活性氧化鋁按照大小可分為兩種，較大的直徑的顆粒在上下而較小直徑的顆粒在中間。正常情況下，每次更換的濾料可以使用2a左右，如果時間再長，會導致顆粒磨損嚴重，影響干燥效果。

（3）確保現場管線保溫伴熱的完整性。通過長時間的觀察發現，由于海洋環境冬天氣溫較低，極易造成管線的凍堵情況，最終會導致閥門開關無法動作，管線凍堵造成工作效果差。這就需要現場維保人員在每年入冬前進行冬防檢查時，必須注重檢查干燥塔及其附屬管線的保溫伴熱情況，如果有必要，還需要親自對伴熱的工作情況進行實際確認，例如手摸、點溫儀測溫等，遇到故障的伴熱，需要及時通知電氣專業人員，及時檢查恢復此路電伴熱的功能，以保證正常運行。

（4）干燥塔前端疏水閥故障造成水無法正常排出，從而造成干燥塔含水過多導致干燥塔產生故障。主要是由于夏季，海洋環境含水較高，疏水閥未能及時有效排出凝析水，干燥塔前端前置濾器也未能及時排液，最終導致的干燥塔報警。這種情況就需要維護人員定期對疏水閥進行維保，清理內部油跡，防止因為油污粘連造成疏水閥開關不嚴，造成冷凝水無法按時排出。

（5）干燥塔消音器故障。當干燥塔再生的過程中，會把多余的水分利用高壓氣體吹出容器之外，為了降低噪音，設置了消音器。一個消音器使用時間一般為1a左右，長時間的使用會造成內部消音棉的消音效果降低，導致干燥塔排氣噪音過大，嚴重時會導致現場巡檢人員聽覺受損。消音器為易損件，一般效果差了后就可以及時更換，不需要維修。

2 海上油田空氣壓縮機的基本結構和工作原理

2.1 空氣壓縮機的結構

雙螺桿式空氣壓縮機主要是由兩根螺桿及氣缸組成的密封系統。其中陽螺桿為主動螺桿，陰螺桿為從動螺桿。

2.2 空氣壓縮機的工作原理

螺桿壓縮機的工作過程分吸氣、密封、壓縮、排氣的四個階段。當常溫常壓的空氣通過進氣濾器，陽螺桿與陰螺桿相互嚙合后脫開，內部的空間增大后，內部形成負壓，將空氣吸入，空氣與其中的滑油混合形成油氣混合物，隨著陰陽螺桿的不斷嚙合和分開，不斷推動壓縮空氣和滑油的混合體前進，通過泵出口和油氣混合物之間的管線，油氣混合物最終進入油分離器，在泵內完成一個循環。

3 結論

由于海上工作環境高潮濕、高腐蝕環境的影響，這就對海上所使用的空壓機的穩定性、安全性、可靠性和耐腐蝕性等的技術特性提出了更高的技術要求。根據近幾年海上平臺空壓機出現故障主要問題，主 要有：

1）高振動造成的接線松動，導致設備非正常關機、非正常報警的次數增多。這就需要巡檢人員在日常工作中，加密對電機、泵的振動的測量，做好記錄。一旦發現設備有振動上升的趨勢，及時上報，及時解決，就有可能避免此類事故的發生。

2）空壓機換熱器質量不過關，導致換熱器頻繁滲漏。通過對一個油田的4臺空壓機近5a的工作狀態的梳理，發現這4臺空壓機在這段時間，共發生了4次冷卻器滲漏的現象，最終更換了4臺換熱器。這就需要在購買備件時，要嚴把質量關，在保障備件物美價廉的基礎上，對質量進行嚴格把控。

（1）空壓機干燥塔氣動蝶閥頻繁損壞。主要問題的關鍵點，在于氣動蝶閥執行機構易損壞或蝶閥的閥桿斷裂。造成這種情況的原因，主要是因為設備在長期的運轉過程中，維護保養不到位，沒有及時添加潤滑劑，造成損壞等。這就需要現場維保人員，及時切換主備機，對備用設備的備件保養及時進行，防止由于海上腐蝕嚴重對設備進行的腐蝕性損壞。

（2）維保人員需要定期對電機注油點進行潤滑保養，保養時要嚴格執行“五定”原則，使用指定油品，絕對不允許油品混合，以免造成滑油失效而造成電機軸承的損壞。加油前，必須及時清潔加油口，防止灰塵進入。

海上平臺作為我國目前海上開采原油過程中的重要平臺，其設備的安全性、可靠性一直是現場操作人員所追求的目標。而作為采油設備不可或缺的空氣壓縮機，一直以來，在整改平臺設備的運行系統中，處于關鍵設備的位置。作為8+1的關鍵設備，空氣壓縮機的穩定運行與否，直接影響著整個平臺采油系統的穩定生產。

作為空壓機系統比較成熟穩定的因素，螺桿式空壓機，依靠其安全、穩定、可靠、維護簡單方便的特點，一直頗受現場使用人員的青睞。

由于海上平臺遠離陸地，對設備備件的采辦有著嚴格的要求，采辦周期長、安全高、可靠性強，這樣才能在設備運行的整個周期內保持設備的穩定。特別是在一些高稠油、低溫的海水環境下，空壓機的穩定可靠性直接影響著整個采油系統的安全。