天然氣壓縮機濾芯堵塞問題分析與診斷

毛文江

（廣州機械科學研究院有限公司設備潤滑與檢測研究所，廣東廣州 510000）

0 引言

作為氣體壓縮和運輸的重要設備，天然氣壓縮機已經被廣泛應用在煤氣或石油氣的輸送[1]。為了達到高效產出氣的目的，一般采用增壓方式對中央處理廠和增壓站的氣體進行增壓，但因現場工況和氣質經常發生變化、管道內存在腐蝕的情況和設備維修維護等原因，氣體經過壓縮機后常含有雜質，如液滴或粉塵等。管道內存在的雜質會引起閥門、管道內壁和儀表的堵塞磨蝕，容易進一步帶來安全隱患，所以需要在壓縮機出口處放置濾芯用于去除亞微米或微米級的顆粒。但濾芯在工作中也會出現故障，影響過濾效率。由于濾芯直接接觸的介質是潤滑油，所以采用油液分析技術分析濾芯的相關故障[2]。油液分析技術是通過分析機械設備的在用潤滑油的性能變化和攜帶的磨損磨粒，獲取設備潤滑和磨損狀態的信息，評價設備工況和預測故障，并確定故障原因及類型的技術。

本文針對天然氣壓縮機在使用過程中濾芯堵塞的問題，采用油液分析技術，從濾芯及其浸出物的外觀、光譜元素分析、電鏡掃描能譜分析3 個維度，制定詳細的檢測流程，對故障進行分析與診斷。

1 故障濾芯檢測

某天然氣壓縮機在使用過程中，濾芯表面發黑，出現堵塞現象，且覆蓋黏著物，現場拆卸后送檢，準備從外觀、濾芯中殘留油樣、濾芯拆解后浸出液與雜質等維度進行檢測分析。

1.1 濾芯外觀

故障濾芯長約50 cm，直徑約10 cm，外觀呈黑色，表面附著少許油樣（圖1）。

圖1 故障濾芯外觀

1.2 濾芯拆解前處理

該濾芯的工作面積較大，故僅剪取部分濾芯樣本進行檢測。將剪取的濾芯殘片進行拆解，展開后可以發現濾芯工作層為5層結構（圖2）：①支撐濾網為金屬，最外側與最內側各有1 層，起固定作用，屬于大孔徑層；②中間3 層為一個連接緊密的過濾層，起過濾作用，由2 層孔徑疏松的纖維濾紙和內側1 層孔徑致密的纖維濾紙組成。過濾層中，由外側到內側顏色逐步加深，表明孔徑逐步減小，過濾性能逐步提高。

圖2 濾芯拆解

制定檢測方案如圖3 所示，剪取5 褶、寬2.5 cm 的濾芯過濾層殘片2 份：①將剪取的第1 份濾芯殘片加入50 mL 汽油超聲浸泡15 min，對濾芯浸出液采用濾膜試驗的方法提取出顆粒，進行濾膜光學顯微分析；②將剪取的第2 份濾芯殘片的過濾層直接進行光學顯微分析。

圖3 檢測方案

1.3 殘留油樣光譜元素檢測

濾芯中存有部分油液，提取出這部分油液進行光譜元素分析（圖4）。光譜元素可以檢測油品中各種元素的含量，主要包含磨損金屬元素、添加劑元素、污染元素三大類：常見的磨損金屬元素有Fe、Cu 等，常見的添加劑元素包括Ca、Zn、P 等，常見的污染元素有Si、Na 等。

圖4 濾芯提取油液分析

采用ICP 光譜儀對提取的油樣進行測試，設備型號為Leeman Prodigy 7。為進一步確認壓縮機所用磷酸酯抗燃油中是否存在污染，需檢測礦物油含量，測定方法為DL/T 1979—2019《電力用磷酸酯抗燃油中礦物油含量測定法》。

1.4 SEM-EDS 檢測

采用掃描電鏡（SEM）對故障濾芯和從浸出液中提取的顆粒進行表征，可以評估顆粒的外觀形貌、類型尺寸，來綜合判斷濾芯堵塞原因。掃描電鏡的設備型號為ZEISS EVO 18，能譜儀（EDS）的設備型號為Bruker XFlash630M，作用是對顆粒表面元素分布進行分析。

2 結果與討論

2.1 外觀分析

故障濾芯外觀呈黑色，質地較黏著，初步判斷為在使用過程中，由油品劣化產生的油泥顆粒聚集導致，需進一步分析。

2.2 濾芯光學顯微分析

濾芯過濾層的光學顯微分析如圖5 所示：①外層和中間層由于孔徑稍大，并沒有積累過多雜質顆粒，只存在個別黑色油泥顆粒；②里層顏色較深，濾紙上累積較厚的黑色油泥沉積物，推斷濾芯堵塞的原因是里層濾紙上大量的油泥顆粒積累所致。

圖5 濾芯過濾層的3 層結構（光學顯微）

2.3 殘留油樣光譜元素分析

對濾芯中提取的油樣進行光譜元素分析檢測，按ASTM D5185-18《用電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）測定用過的和未用過的潤滑油和基礎油的多元素測定方法》執行（表1）。光譜元素分析結果表明，濾芯中殘留油樣的Fe 含量較高，意味著設備中鋼質部件可能存在異常磨損情況；Cu 含量較高，代表設備中銅合金存在磨損；Si 的存在證明系統中可能引入了粉塵等外界污染物；由于殘留油樣是磷酸酯抗燃油，所以P 含量較高；油中還有Ca、Zn，來自于添加劑。

表1 殘留油樣元素分析結果 mg/kg

2.4 光學顯微分析

光學顯微分析是指在光學顯微鏡下，對濾膜上的物質進行觀察與分析，判斷顆粒尺寸類型（圖6）。分析結果表明，濾芯中的主要成分為大量油泥和個別鋼顆粒，圖中所觀察到的纖維來源于濾芯本身材料。

圖6 濾芯浸出液濾膜（光學顯微）

2.5 SEM-EDS 分析

對濾芯中顆粒進行SEM-EDS 分析，掃描電鏡能譜分析結果表明，初步判斷濾芯提取的顆粒主要是鋼質顆粒、油泥顆粒和濾芯纖維（圖7）。對鋼質顆粒和油泥顆粒進行點掃，按GB/T 17359—2012《微束分析能譜法定量分析》執行（圖8、圖9、表2）。結果表明：

表2 殘留油樣元素分析結果（質量分數） %

圖7 面掃元素分布分析

圖8 鋼質顆粒點掃元素分布分析

圖9 油泥顆粒點掃元素分布分析

（1）鋼質顆粒主要含有Fe、C、O 等元素，次要元素有Na、Si、Al 等元素。其中C、O 主要來源于抗燃油的氧化產物（C、O亦是濾芯纖維材料的主要成分之一）；電鏡圖譜顯示鋼質顆粒呈薄片狀，且尺寸較大，最長處可達200 μm 左右，主要金屬元素為Fe，占比為88.32%，說明設備中鋼質部件存在異常磨損；Na、Si、Al 可能來源于外界污染。

（2）油泥顆粒主要含有C、O、P 等元素，次要元素有Na、Si、Zn 等元素。其中C、O 主要來源于抗燃油的氧化產物（C、O 亦是濾芯纖維材料的主要成分之一），P 元素是磷酸酯抗燃油主要成分；Na、Si 可能來源于外界污染；Zn 元素可能來油品添加劑。電鏡圖譜顯示油泥顆粒呈現凝聚狀態，但數量較多、分布較廣，是濾芯發生堵塞的重要原因。

根據設備使用情況，油泥發生的原因推斷為設備異常高溫，導致油溫升高，加速了油品氧化，生成了大量油泥。

2.6 油品污染分析

根據現場描述，設備可能存在混入其他油品的可能，為進一步確認壓縮機所用磷酸酯抗燃油中是否存在污染，需檢測礦物油含量，測定方法為DL/T 1979—2019《電力用磷酸酯抗燃油中礦物油含量測定法》。

檢測結果表明：對從濾芯中提取出的油樣進行礦物油含量測定，礦物油含量為0.08%，低于DL/T 571—2014《電廠用磷酸酯抗燃油運行維護導則》中礦物油含量異常極限值（＞4%）。

3 結論

（1）濾芯浸出液濾膜的光學顯微圖顯示濾芯中存在個別大顆鋼質顆粒及大量油泥顆粒。

（2）對濾芯過濾層的3 層結構進行光學顯微分析，發現大量油泥主要存在于里層結構。

（3）對濾芯中的油樣進行礦物油含量檢測，礦物油含量為0.08%。

綜合分析，該濾芯堵塞的主要原因是大量的油泥顆粒污染，礦物油含量遠低于DL/T 571—2014《電廠用磷酸酯抗燃油運行維護導則》的礦物油含量異常極限值（＞4%），判斷油泥來源于礦物油污染的可能性較小。

油泥產生的原因可能為設備異常高溫，導致油溫升高，加速了油品氧化，生成了大量油泥。