CFA34空壓機排氣管道燃爆事故分析與處理

任護國，袁宗澤，黃智強

（中國空氣動力研究與發展中心技術勤務站，四川綿陽 621000）

0 引言

某高壓空氣站5套美國卡麥隆（CAMERON）CFA34型活塞式空壓機組，前級經阿特拉斯GR200W-20型螺桿機增壓至1.9 MPa，四級壓縮，流量 45 m3/min，排氣壓力 32 MPa，2012年7月陸續投入運行。2016年8月29日，2#壓縮機在運行過程中突然發生三級排氣管道內部燃爆，所幸未造成其他設備損失和人員受傷情況。

1 CFA34型空壓機簡介

1.1 技術參數

CFA34型空壓機為四列對稱平衡式結構（圖1），主要技術參數：排氣量（入口狀態）45 m3/min；氣缸分布，1列（螺桿1 3/4級，3英寸/1.5英寸），2列（螺桿2 2級，3.875英寸），3列（螺桿3 3/4級，3英寸/1.5英寸），4列（螺桿4 1級，5.125英寸）1級吸氣壓力1.9 MPa；各級排氣壓力3.9/8.6/21/32 MPa；各級排氣溫度142/140/148/92℃；電機10 kV，355 kW，1490 r/min。

圖1 CFA34壓縮機機身結構

1.2 工藝流程

壓縮機組由2臺GR200W-20螺桿式壓縮機、1臺CFA34活塞式壓縮機組成，單臺螺桿機最大流量23.1 m3/min，最大排氣壓力2.05 MPa。壓縮機組工藝流程：大氣經螺桿機空氣過濾器清除空氣中的粉塵后，經兩級螺桿壓縮、過濾（除油）、冷卻、分離（除水）進入CFA34壓縮機一級氣缸，壓縮后經排氣緩沖器、冷卻器、分離器、二級進氣緩沖器進入二級氣缸，壓縮后經排氣緩沖器、冷卻器、過濾器、三級進氣緩沖器進入三級氣缸，壓縮后經排氣緩沖器、冷卻器、過濾器、四級進氣緩沖器進入四級氣缸，壓縮后經排氣緩沖器、冷卻器、過濾器進入最終排氣總管。三、四級氣缸為級差式結構，中間設平衡腔，缸內的高壓空氣經活塞體泄漏的部分氣體進入平衡腔，經缸體內部通道進入三級進氣，經三級氣缸再次壓縮。各級排氣管線均設有自動排污閥、安全閥，二級排氣管線設有手動放空閥，四級排氣管線設流量裝置、單向閥，四級放空管線設自動放空閥、手動放空閥和消音器。

2 事故原因分析

發生燃燒必須具備3個要素：助燃物、可燃物、著火點[1]。空氣壓縮機運行過程中，空氣中充足的氧氣是助燃物，注入的潤滑油是可燃物，壓縮過程產生的高溫是著火點。以上情況為壓縮空氣在管內燃燒提供了基本條件，著火部位導致局部產生高溫高壓，甚至可能產生爆炸的危險。

參考國內外對壓縮空氣在壓縮機本體、輸送管路、冷卻器、儲氣罐及一些盲管和死區等部位發生燃爆事故的研究成果，普遍認為，積炭及潤滑油的分解物是燃爆的根本原因，高溫是引起燃爆的誘因。

2.1 事故經過

8月29日上午，2#壓縮機組正常啟動，各級壓力、溫度等技術參數未出現異常。10：49，活塞式壓縮機現場控制柜聲光報警器動作，2～3 s后，三級排氣管道內部發生燃爆，三、四級排氣管路安全閥脫落，斜向飛出5～6 m遠，三級安全閥螺紋連接口處有大量火花噴出，四級安全閥螺紋連接口處有大量氣流噴出，壓縮機自動停車（圖2）。

圖2 壓縮機排氣管道燃爆事故現場

2.2 受損情況分析

事故發生后，及時對現場進行了封閉，檢查設備受損情況如下：①三級排氣管在氣流的反沖下嚴重變形，三四級排氣管安全閥接口螺紋損壞；②三、四級安全閥損壞；③三級過濾器濾芯嚴重燒損（圖3）。

技術人員及時趕到事故現場，采用熱成像儀記錄了壓縮機本體及管路溫度分布情況，調取實時運行狀態參數和故障發生實時錄像，對故障現場及管路受損情況等拍照取證，送檢在用潤滑油，拆檢三、四級氣閥、氣缸、活塞，檢查對三、四級進排氣管道、過濾器等。檢查發現：①三級排氣閥及管路積炭嚴重（圖4）；②熱成像溫度分布顯示三級排氣管道局部溫度較高（圖5）；③從高位油箱放出的氣缸及填料用潤滑油果凍狀凝結，顏色呈棕紅色，有異味。

圖3 設備受損情況

圖4 積炭情況

2.3 原因分析

發生燃爆的部位在三級排氣管道，管道內的沉積物主要有積炭、潤滑油、灰塵等。分析認為，造成事故的主要原因是管道內積炭嚴重[2]。

2.3.1 積炭形成機理

在高壓高溫作用下，壓縮機氣缸內的潤滑油、空氣中的塵粒、活塞與缸壁磨損粉塵等會被氧化成氧化聚合物，沉積在排氣管道的金屬表面，形成積炭。而積炭層會蓄積熱量，使溫度升高，如果熱量不能被及時帶走或散發，就會引起局部過熱，加快氧化反應，溫度進一步上升。

2.3.2 積炭的危害

積炭和積炭上的潤滑油蒸發和分解后，會產生裂化輕質碳化氫和游離炭，形成大量的爆炸性氣體[3]，當達到臨界溫度時，便會發生燃燒和爆炸。當積炭厚度達到一定程度時，有自燃的危險。積炭的厚度影響自燃溫度極限值，有研究數據表明，當積炭厚1 mm，自燃溫度極限值160℃；積炭厚2 mm，自燃溫度極限值150℃；積炭厚3 mm，自燃溫度極限值115℃。

影響積炭形成的因素有壓縮機的運行情況、外在環境以及潤滑油的供油量、排氣溫度、黏度等。管道運行時間越長，積炭層厚度越大。

2.3.3 潤滑油與積炭的關系

導致空壓機燃燒或爆炸的燃燒物是潤滑油，因此有必要對潤滑油與積炭形成、產生燃爆關系進行分析。

（1）注入量。潤滑過量造成不必要的潤滑油進入氣缸、管道，會加速積炭的形成，而加入量過小則易造成壓縮機氣缸潤滑不足，使活塞與缸壁摩擦部位溫度急劇升高，形成積炭。

（2）黏度。黏度大的潤滑油密封性良好，容易形成積炭；低黏度的潤滑油易揮發，容易形成霧狀隨氣體一起帶走，一般形成積炭的時間要長一些[4]。

（3）抗氧化性。潤滑油的抗氧化性越高，潤滑油就越穩定，越不易被裂解。

（4）水分。潤滑油中的水分過多，會產生過熱水蒸氣，管網中的積炭會吸附過熱水蒸氣，散發熱量，使局部溫度升高。

（5）閃點。壓縮機潤滑油的閃點一般在190～260℃，自燃點在380～430℃，閃點的高低對燃爆影響不大，只有當溫度達到自燃點時，油蒸汽才會燃燒和爆炸。

（6）溫度。溫度越高，潤滑油氧化速度越快。

（7）壓力。提高壓縮空氣的壓力，相當于增大潤滑油與空氣的接觸面積，可加速潤滑油的氧化[5]。

壓縮機組投入運行已經有4年多，從其日常檢修維護資料可分析得到如下信息：2016年3月以前，壓縮機的積炭較少，從進排氣閥觀察，在表面附著有液態油，閥腔底部有沉積的液態油水混合物；2016年2月，對5套壓縮機組進行了全面維護檢修，更換了新的潤滑油，減小了注油量。對比燃爆發生前后潤滑油的使用情況：以前的潤滑油顏色呈淡藍色，清澈透明，無異味，自然下滴呈細線狀，送檢運動黏度為88 mm2/s（100℃）；在用潤滑油顏色呈棕紅色，混濁，有異味，自然下滴呈單滴狀，送檢運動黏度為 51.9 mm2/s（100 ℃）。

綜上所述，本次事故的主要原因與潤滑油的注入量和質量有關。

圖5 熱成像溫度分布情況

3 處理情況

根據事故原因分析，對5套機組進行全面檢查，發現其他各套機組均存在較為嚴重的積炭現象。因此采取了如下處理措施。

（1）對氣缸、氣閥、管道進行全面清洗，清除其表面及內部的油污和積炭。

（2）排凈高位油箱及注油管路中的潤滑油并進行徹底清洗，重新購買潤滑油進行更換。

（3）重新調整壓縮機組的注油量。

（4）恢復運行后，單套機組運行達50～100 h，拆卸氣閥檢查積炭情況，檢查結果正常。

4 機組維護建議

為防止再次產生壓縮空氣燃爆的危險，運行過程中應采取如下措施。

（1）選擇合適的潤滑油。

（2）嚴格控制氣缸的注油量。

（3）壓縮機各級排氣溫度≤160℃。

（4）盡量使壓縮機連續、滿負荷運行，因為空負荷/間隙運行更容易使潤滑油沉積。

（5）開啟放空卸壓時一定要緩慢。因為降低負荷時積炭未受到足夠氣流的冷卻，容易使溫度升高，進而引發事故。

（6）加強運行監控，尤其是各級排氣溫度的變化。

（7）定期檢查氣閥，觀察積炭情況，發現問題后要及時清洗氣閥、管道等。

（8）定期檢查冷卻器后過濾器，積油過重時要及時清洗，發現有破損時要進行更換。

5 結束語

針對一起因積炭而發生的排氣管道燃爆事故，重點分析積炭形成和燃爆的機理，得出事故主要原因與潤滑油的注入量、質量有關。通過改進措施，解決了積炭隱患，并提出預防燃爆事故的可行性措施，為避免事故再次發生提供了重要參考。

［1］S.Smith，孫開濱.壓縮機使用礦物潤滑油著火和爆炸的危險［J］.壓縮機技術，1992（5）：11-20.

［2］孟松余，劉磊.潤滑油是引起空壓機爆炸的重要原因［J］.中國科技縱橫，2015（1）：93.

［3］劉慶衛.空氣壓縮機的后冷卻器燃燒事故分析［J］.壓縮機技術，1998（3）：21-22.

［4］王梓榮，段吉林，秦馗，等.活塞式空氣壓縮機積炭問題探討［J］.中國高新技術企業，2010（7）：70-72.

［5］穆卓樞，趙慧宏，李艷秋.由積炭引發的活塞式空壓機自燃與爆炸問題探討［J］.一重技術，2001（Z1）：167-168.