壓縮機組故障停機分析及對策措施

李 強

（中國石油天然氣集團公司西南油氣田分公司儲氣庫管理處，重慶 401120）

1 引言

某作業區增壓站5座，燃氣發動機壓縮機組21臺，5年內壓縮機組故障停機次數總計為487次，故障停機頻率每天0.17～0.3次，平均一次故障停機少處理氣量0.13×104m3。

2 故障停機存在嚴重安全隱患

2.1 焊縫斷裂，天然氣泄漏

泄漏情況：天然氣泄漏36次，主要由增壓工藝管道焊縫斷裂、螺紋連接等引起。

可能產生火災爆炸危險性，發動機火花塞點火能量大于50 mJ，點火電壓1.5～2萬V，完全具備點燃泄漏天然氣條件，實際上點火系統漏電等故障12次，現場出現過發動機缸頭漏氣著火事件，尤其在降噪密閉空間，危險性進一步增加。

2.2 旋轉、往復部件斷裂失效

總計4次：其中風扇葉片斷裂1次，壓縮活塞桿斷裂1次，曲軸裂紋1次等。

危險性：屬重大危險，歷史上出現過飛輪解體物體打擊事故，死亡1人。

2.3 連接螺栓斷裂

總計10次：其中動力缸與機身連接螺栓斷裂5次，余隙缸1次。

危險性：屬重大危險，可引發機械傷害或物體打擊事故，高壓天然氣泄漏事故等。

2.4 控制系統失效

儀表故障61次，其中UPD電源損壞7次，雷擊9次，掉電6次，傳感器損壞3次，熱電偶損壞5次，電磁閥失效5次。

危險性：控制失效，屬重大危險。1.18事故超速飛車失控直接原因就是控制系統失效。

2.5 氣閥失效

氣閥故障136次，主要表現為閥片、彈簧、緩沖墊等斷裂。

危險性：直接導致壓縮機超溫運行、活塞桿超負荷發生斷裂、碎片進入氣缸內導致機械撞擊，引發嚴重事故。

3 典型故障分析

3.1 管道焊縫、表面裂紋、飛輪表面裂紋

36次管道焊縫斷裂、冷卻器絲堵斷裂、管道安全閥連接部位斷裂漏氣，失效時間主要集中在30000 h以下。

壓縮機組無損檢測：飛輪裂紋1個，管道、彎頭裂紋9處，其中產生飛輪裂紋的只運行3年。

原因分析：

（1）在設計條件下運行（壓力、溫度、壓力脈動等），管道的應力狀態不會導致焊縫出現裂紋或失效。

（2）在內壓作用下，管道內壁應力大于外壁應力，不會導致管道外表面裂紋。

（3）振動產生的應力可從1 MPa到幾十MPa甚至上百MPa，由振動狀態決定。

（4）振動產生的應力導致外表面應力大于內壁表面。

因此，管道振動是焊縫裂紋滋生及擴展、疲勞斷裂等主要因素，使管道表面產生裂紋并擴展成為可能。

飛輪裂紋產生部位均分布在輪轂筋與外輪連接處，是應力集中部位，是最容易出現裂紋及擴展失效的關鍵環節。

3.2 氣閥故障

氣閥故障136次，主要集中在2005年，通過氣閥適應性改造及加強系統管理，目前氣閥很少出現故障。

原因分析：

（1）氣質差：過濾分離系統工藝設計缺陷及維護不當，過濾分離器的壓差未進行監控，出現故障后未進行過濾分離效果跟蹤檢測與分析。

（2）氣閥使用存在幾十年“一成不變”的現象：增壓初期壓力高、氣量大，增壓后期情況發生了顯著變化，氣閥未作相應調整。反映出對氣閥參數認識不清，氣閥應用邊界條件把握不準等技術管理問題。

（3）檢修維護質量缺乏管理監控：如兩次氣閥檢修間隔僅幾小時。一方面沒有對相關參數進行檢測和控制，如彈簧彈性參數不一致，導致閥片、彈簧受力不均，運行壽命大幅度縮短；另一方面未有效建立檢修質量考核體系，對頻繁出現的異常檢修熟視無睹。

（4）沒有從系統上、管理上查找原因。

3.3 混合閥片斷裂故障

共70次，最短時間時間僅2 h，遠小于設計使用壽命。

原因分析：

（1）從使用壽命及混合閥片頻繁斷裂的情況看，屬于典型的質量問題，同時反映出技術管理上存在薄弱環節。

（2）閥片斷裂后未從技術參數上著手分析，導致多次出現的問題難以遏制，如2007年作業區通過對混合閥片進行參數檢測，發現斷裂閥片與正常閥片相比厚度上要薄0.2 mm，通過調整后混合閥片實現零斷裂。

（3）配件使用缺乏技術管理，新換配件按要求通過相關參數檢測合格后方可使用。檢修換件環節未把好最后關口，部分不合格產品在現場繼續應用。

（4）閥片頻繁斷裂故障信息未及時有效反饋，導致存在問題的配件未及時調整。

3.4 機械連接、傳動系統部件失效

總計45次，其中軸瓦、銅套、銷等斷裂燒壞3次，十字頭燒壞3個，活塞、活塞桿裂紋/斷裂及表面損傷2次，水泵、風扇軸承損壞9次，皮帶斷21次，連接螺栓6次，風扇葉片1次

原因分析：

（1）潤滑失效是部件燒壞的直接原因，暴露出現場安裝、操作、工況調整等存在薄弱環節。

（2）低溫條件下啟機出現部件燒壞與操作直接相關，通過分析，在氣溫5℃條件下啟機操作不當在2分鐘內會出現十字頭等燒壞事故

（3）工況調節失誤，導致反向角較小會直接燒壞軸瓦等部件（整體機組制造商要求不得小于30度）

（4）間隙過小或接觸面積不足，如臥南ZTY265-5#機組大修安裝動力十字頭間隙僅0.1 mm（要求在0.28 mm以上）。

（5）斷裂皮帶：平均使用壽命5186 h，最短90 h（質量原因），如臥南ZTY265-7#機組運行125 h就出現斷裂，同時也反映出皮帶裝配過松、過緊及對中等現場操作參數控制技術管理問題，如無對中檢測工具等。

（6）機械斷裂：斷裂風扇軸最長使用壽命90142 h；風扇葉片斷時累計運行29599 h；斷裂螺栓平均使用壽命36460 h，最長84198 h，最短2934 h。

反映出在劇烈振動狀態下，零部件及連接件只要存在一定的應力集中和質量缺陷，如強力連接、熱膨脹因素等未系統考慮，斷裂是必然，時間也不會太久，碳鋼在低于371 ℃下動應力不允許超過50 MPa。

在零部件安裝及應力控制認識方面存在薄弱環節，現場無相關技術手段加以控制，靠經驗辦事，使得人為因素增多，重復斷裂難以避免。

3.5 潤滑系統故障

工作性能不穩定等17次，其中注油器故障6次，潤滑無油流監測故障11次。

原因分析：關鍵部件產品質量存在問題，如潤滑無油流檢測開關彈簧斷裂5次，振動產生松動3次，對振動環境因素考慮不足。現場對潤滑油管理粗放，潤滑系統發生堵塞4次。

4 對策措施

從487次故障停機中，我們感受到增壓隊伍在應對故障停機與生產維護中所作的艱辛努力，同時也認識到“多一次故障停機就多一份風險”，需要我們一起共同努力，積極行動，采取切實有效措施，實現“零故障停機”工作目標，切實確保增壓環節“安、穩、長、滿、優”運行。

（1）系統深化認識壓縮機組相關技術環節，把精細化管理落到實處。

深入認識增壓工藝系統技術參數內涵，增強對增壓系統設計、施工、運行及維護檢修等環節的控制力。

細化掌握技術參數邊界條件，堅持故障查清其實質：如軸瓦等燒傷失效是質量還是裝配、操作、工況調整方面的原因，是反向角就不能小于30°，究其竟，查其因，只有在通過檢測分析后才會得出正確結論，也才能在故障判斷、處理及防止方面形成真知灼見。

堅持系統問題系統分析：只有在日常生產技術管理工作中全面掌握設備的技術參數、技術條件和允許偏差的程度，結合歷次維護保養精度檢測數據，故障統計分析，運行參數分析等，才能夠全面掌握增壓系統的安全技術狀態及性能劣化趨勢。

（2）強化壓縮機組定期無損檢測管理，提高本質安全水平。

事實已證明，在高溫、高壓及振動劇烈的條件下，機組本質安全狀態會出現一些顯著變化，給增壓站的安全生產帶來的危害。排除質量原因及劇烈振動導致振動應力較大短期失效因素外，管道焊縫及表面裂紋發生在2～3年，長的達到8.7年。需要定期對壓縮機組相關環節的本質安全狀態進行檢測。

重點監控運行壓力高、振動大的機組，關鍵是要做好應力集中部件、高溫高壓管系等部件，無損檢測周期宜為2～3年。

（3）切實提高壓縮機組制造及配套的技術水平和質量。

加強關鍵零部件選型的優化分析和論證：首先解決現場故障頻率高、質量性能穩定性差的零部件，如在大氣環境下使用的混合閥片斷裂、皮帶斷等問題，切實降低現場故障停機帶來的風險。

系統深入分析不常見但后果嚴重的故障：如連桿斷裂、風扇葉片斷等，有效提高裝置系統本質安全水平。

深化研究機組配成套技術：關鍵要解決振動導致的如管道焊縫斷裂、冷卻器絲堵斷裂等的防治問題，強化機組配套系統質量控制。

開展控制系統專項調查和分析：論證相關環節的風險及防治措施，如緊急停車的可靠性、核心控制部件的現場安裝條件及失效的風險等，確保控制系統要“一招致勝”。

（4）細化增壓站工藝設計與布局優化控制，強化安裝施工技術管理

在細化設計與優化布局方面，關鍵作好場站工藝設計與機組設計相結合，避免管道系統共振，場站工藝系統設計應根據壓縮機固有激振頻率范圍及壓縮介質參數，并結合管道系統固有頻率范圍計算確定管道設計和布局，避免管道氣柱共振和機械共振。如在脈動頻率14 Hz，40 ℃，天然氣等熵絕熱指數1.26，按照API618標準計算開閉端情況下一階共振管長為8.4 m，則進排管道系統中相應管道長度應避開6.7～10.1 m范圍，如某井口振動烈度達到2.56 mm/s（現場人眼即可看出井口擺動），頻率12 Hz，與壓縮機組激勵頻率一致，因管道系統存在共振而壓縮機組冷卻器振動最高達到1.326 mm（超標約10倍）。

在安裝施工技術管理方面，在綜合考慮管道固有頻率及共振管長度、有關熱應力限制條件等基礎上，合理確定管道支撐布局，通過支撐調節管系剛度和固有頻率，管系固有頻率應控制在激振頻率的1.2倍以上。

5 故障管理工作要求

5.1 嚴格執行管理制度和相關規定

按照《增壓開采生產技術管理辦法》，對壓縮機組實行全過程的綜合管理；按照《新建增壓站的相關技術規定》，對相關環節的技術參數指標進行系統控制；按照《增壓站噪聲治理與振動防治工作要求》，對增壓站噪聲、振動相關參數進行控制；按照《增壓生產管理辦法》，對增壓生產全過程進行標準化管理。

5.2 建立完備的故障數據檔案

通過故障統計資料建立數據檔案，形成時間軸為樹干，技術經濟指標及相關狀態數據為樹枝的信息體系，為設備壽命周期內各項技術、經濟指標、技術狀態及性能劣化趨勢等的分析評價提供完備數據和信息資料，并對設備薄弱環節及影響因素進行定期、定量分析和評估，及時對相關環節進行技術改造和優化調整。

深入開展故障數理統計分析，為實現設備預防性維修提供科學依據，改變目前只能進行定期維修或事后維修狀態，達到目前股份公司對設備管理工作的要求，如通過混合閥平均無故障時間的統計和分析，就可以指導對制約因素的分析和預期壽命的統計。

5.3 積極推行設備狀態檢測和故障診斷技術

推行設備安全狀態、精度狀態、性能狀態等的檢測、分析及評估制度，使狀態檢測與故障診斷技術成為設備狀態管理的技術基礎，關鍵做好振動、噪聲頻譜監測與分析，發動機動力性能、壓縮機容積效率及核心部件如氣閥等的性能狀態檢測等技術的應用和推廣，準確把握設備性能劣化狀態及趨勢，及時發現隱患，確保裝置安全平穩運行。

5.4 強調跟蹤評價，把好質量關

要加強技術管理力度，對多次重復出現的故障要有專題分析和控制措施，改變目前故障管理粗放型的現狀。

要建立檢修維護質量考核管理制度，考核內容兩方面：達到相應機型檢修技術標準規定的技術參數、技術條件和允許偏差的程度；設備檢修驗收后在保修期內的返修率。

5.5 強化信息反饋，促進質量持續改進

適時通報機組故障信息，并反饋制造廠，同類問題不得多次出現。

5.6 加強安防系統的維護管理

增壓站可燃氣體監測系統等的設計除應滿足相關標準規范外，還應考慮壓縮機組的實際情況，如發動機點火系統不能夠做到滿足防爆場所使用的要求，“應在每個可燃氣體的源頭，半徑為1524 mm范圍內取樣，并向上和向下延伸至工藝區域內底部或頂部”。同時應按照相關檢定等規定，做好相關工作，確定安防系統運行可靠。

5.7 嚴把完工交接關

按照相關規定和要求，必須完成相關項目的參數檢測并合格后履行相關手續，特別是壓縮機組大（項）修及外委年保工作的交接必須到位，確保機組安全平穩投入運行。