突發停電造成螺桿壓縮機故障的原因分析

李文江

（中鹽安徽紅四方股份有限公司，安徽 合肥 230022）

中鹽安徽紅四方股份有限公司在合肥循環經濟示范園，投建了30萬t／a的純堿項目，自2013年元月起，投產至正常運行有近一年的時間了。在純堿生產中，抽送來自合成氨系統脫碳氣（主要成分CO2占99.35%）至碳化塔用于碳化反應的壓縮機，是關鍵性的傳動設備。考慮到節能降耗，現在多選用螺桿壓縮機。我公司采用的2臺脫碳氣螺桿壓縮機是上海大隆機器有限公司生產的，為JLD40I－SM機型。

1 螺桿壓縮機性能參數

型號 LG－185／1.2～3.8

入口流量 185m3／min

進氣壓力 0.12MPa（G）

進氣溫度 40℃

排氣溫度 ≤120℃

壓縮機轉速 4 138r／min

軸功率 954kW

電機功率 1 120kW

驅動方式 電機—齒輪增速箱—壓縮機

裝配間隙數據：碳環密封對應φ170軸頸處的間隙0.1～0.145mm；徑向軸承對應φ115軸頸處的間隙0.12～0.157mm；內、外推力軸承動靜環耦合面間隙合計0.12～0.14mm；排氣端螺桿轉子端面與前端蓋之間的間隙0.15～0.21mm；同步齒輪嚙合側隙0.03～0.06mm。

2 事故緣由

2013年8月19日，由于供電公司因突發故障停電，造成了一臺正在運行的脫碳氣螺桿壓縮機（1＃機）事后不能正常開啟，出現盤車“卡死”現象。PLC系統中也無法查出任何異常。

鑒于以上情況，將疊片式聯軸器脫開。通過檢查，增速箱和高壓電機完好，只是壓縮機盤不動。壓縮機解體后發現，主要零部件損壞：

1）陰轉子上防反轉薄齒輪嚙合面有壓痕輕微，陽轉子上的主齒輪完好；

2）缸體內表面有不同程度磨損和明顯的劃痕，磨損嚴重處磨損層厚度為0.02～0.06mm，局部有碰傷且高溫變色；

3）陰陽螺桿轉子端面磨損0.03～0.07mm，密封槽有損傷；

4）與陰陽轉子端面耦合的前端蓋面有磨損，磨損0.01～0.05mm；

5）陰陽螺桿外圓及螺旋面有不同程度損傷，局部有“咬合”傷痕；

6）另外，陰陽轉子前端軸頸與軸瓦配合處，軸頸磨損0.03～0.05mm；前端兩軸瓦內孔面磨損0.08～0.16mm。陰陽轉子后端軸頸與軸瓦配合處，軸頸磨損0.01～0.03mm；后端兩軸瓦內孔面磨損0.03～0.5mm；

7）機體前端氣封碳環內孔超差0.03～0.08mm。

3 原因分析

3.1 對事故油箱油位的判斷

突發性事故停電，供油站油泵停止工作，機組各潤滑點的潤滑依賴于事故油箱。事故油箱里的油由于高位落差，主要通過單向閥流向電機兩主軸瓦、增速箱和主機油分配器。經過主機油分配器的油至壓速機齒輪對、前后徑向支撐軸承和主、副推力軸承。各潤滑點的油，最后通過回油總管至油箱。

事故油箱設置高度比最高潤滑點高5.8m，容積有0.6m3，其中的32＃汽輪機油全部流完需2分多鐘的時間，斷電時主機慣性停下來的時間大約需90秒左右，所以事故油箱里的油從設計的角度看，是足夠用的。

停電前，設備一直不間斷運行多日。事故后，對由油站油箱至事故油箱的孔板及其管路進行檢查，沒有發現異物、油泥等堵塞情況，說明停電前事故油箱里的油，一直保持高液位并溢流著。

3.2 對局部油路設計特性的分析

斷電時高位油箱里的油，經分配器通過徑向軸承座油孔送至徑向軸承內瓦面和內、外推力軸承動靜環耦合面潤滑。其中徑向軸承座油孔至外推力軸承的油路，是按有利于通暢進油供給的旋向設計的。另一方面，外推力軸承靜環面上，為了方便油進入耦合面，在每一個塊面上用刮刀修有楔面，楔面也是有方向的。

因此，綜合局部油路設計的方向性和外推力軸承靜環塊面上楔面的方向性，壓縮機反轉是具有很大的破壞性。

3.3 對防反轉配置的檢查

1）壓縮機自身保護配置

壓縮機正常運轉時，陽轉子上的主齒輪和陰轉子上的從動主齒輪嚙合。當壓縮機因異常反轉時，陽轉子上的主齒輪和陰轉子上的副從動薄齒輪嚙合，以保護陽轉子上的主齒輪和陰轉子上從動主齒輪在正常運行狀態下的嚙合精度，確保壓縮機良好的技術裝配狀態不被破壞。從事后拆檢的情況看，不是事故的起因。

2）防反轉工藝配置設計

①閉路循環的旁路配置：在壓縮機進出口設有旁路。旁路閥為自控閥，通過PLC系統控制。正常生產時，可通過旁路閥調節壓縮機的出口壓力，從而保證壓縮機穩定運行。當遇到斷電時，PLC系統設置的旁路閥會自動打開，讓脫碳氣通過壓縮機進出口形成循環，以防壓縮機反轉。通過檢查，PLC上顯示，旁路閥為斷電“手動”打開。

②壓縮機出口設置單向閥：在壓縮機的出口，有穩流器、消聲器。消聲器的出口設有單向閥，能防止突發停電事故發生時，排出的脫碳氣不發生倒流，確保壓縮機不反轉。事故發生后，拆檢單向閥發現，單向閥已生銹和結垢，失去了靈敏度。

3.4 對密封效果的判斷

壓縮機的油封有四處，均為充N2氣的碳環密封。碳環處的軸頸直徑為φ170，軸頸與碳環的正常間隙為0.10～0.145mm，一處間隙的徑向最大截面積為77.46mm2，四處間隙的徑向最大截面積為309.87mm2。事故油箱進油總管為φ57×3.5，截面積為1 962.5mm2。這樣看來，四處間隙的徑向最大截面積與事故油箱進油總管截面積之比為1∶6.33，即使密封處泄漏，泄漏量都是不大的，更何況，油是有粘度的和稠度的，碳環密封與軸頸的間隙極易形成油膜，且停電時螺桿反轉，此時的潤滑油只是具有5.8m高的油壓，故壓縮機停電反轉時，碳環密封漏油是很少的，反轉起初不會對壓縮機構成破壞性事故。

3.5 對油路是否存在堵塞的判斷

通過拆檢、吹掃，所有的油路管道無油垢，也無雜物堵塞。

3.6 對潤滑油是否存在問題的判斷

壓縮機運行有7個多月，起初使用的32＃汽輪機油在2013年3月更換過一次。更換用的油至事故發生，使用有近4個月的時間（其實32＃汽輪機油通常情況下可以兩至三年更換一次）。事故發生后，查看供油站油箱的液位，基本和前幾日沒有發生變化，維持在試鏡刻度線上下2mm，說明油冷器沒有發生泄漏，油里沒有進水。油站的一、二級過濾較好，油里的雜質成分幾乎很少很少。油外觀透明，起泡也不多。這些情況說明，潤滑油本身不是造成事故的原因，而且其它壓縮機用的都是同一批進貨的合格潤滑油（L－TSA32）。

4 原因定論

PLC系統顯示，壓縮機事故前運行的各項性能參數，如徑向軸瓦溫度、內外推力軸承溫度、壓縮機進出口壓力、油溫、油壓等，都在指標范圍內。檢查發現，PLC系統將壓縮機旁路閥先前設定為斷電瞬時100%開啟，被人為修改設定為“手動”操作，違反了當初設計時的縝密考慮。當外網供電系統突發性故障停電時，手動打開旁路閥從時間上看幾乎不可能（操作室在二樓，旁路閥在一樓），此時，恰逢單向閥失靈，不能因閥前脫碳氣壓力而立即關閉，于是大量的脫碳氣倒流至壓縮機，致使陰陽螺桿轉子反轉。

考慮到至外推力軸承的油路設計和外推力軸承靜環塊面上油楔具有方向性，反轉致使靜環面上的巴氏合金很快缺油而燒壞甚至部分脫落。不斷反轉的陰陽轉子，因為外推力軸承耦合面的摩擦力，產生或大或小的徑向力，應該說這種徑向力要比正常運行時產生的徑向力大上好多倍，而且此時的油壓為5.8m高油壓，正常運行時的供油總管壓力≥0.3 MPa左右，到各潤滑點的壓力有2.5MPa左右。反轉時螺桿軸頸不斷敲擊、擠壓徑向軸承，導致陰陽陽轉子前端兩個徑向軸承嚴重磨損，后端兩個徑向軸承不同程度磨損。由于前徑向軸承的嚴重磨損超差，造成陰陽螺桿咬合、碰撞，與此同時撞擊摩擦缸體的內表面，又造成缸體內表面的磨損和劃痕。繼而壓縮機軸向平衡已破壞，陰陽螺桿的端面（含密封槽）和壓縮機前后端蓋（含密封槽）產生接觸、碰撞、磨損。就這樣，形成一系列連鎖性損壞事故。

綜上所述，如果壓縮機旁路閥完好，且出口單項閥也完好，遇到突發故障停電的話，陰陽螺桿就不會反轉而造成類似事故的發生。

5 防范措施

1）在PLC系統中，將壓縮機旁路閥重新設定為斷電瞬時100%開啟。

2）利用停機時間，特別有計劃地檢修和維護旁路單向閥，確保單向閥的靈敏度。

3）可以在壓縮機出口就近的地方，加一放空管，閥門用斷電即開的自控閥。以防止前兩條措施不到位而發生的類似事故。