螺桿式空壓機的結(jié)構(gòu)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(xiàn)場提供空氣動力的設(shè)備主要是電動機驅(qū)動的空氣壓縮機系統(tǒng)?？諌簷C按照其結(jié)構(gòu)形式，又可以分為往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式兩種?，F(xiàn)在海上平臺所使用的空氣壓縮機，基本上都是雙螺桿旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單和便于維護(hù)和保養(yǎng)。相對于陸地上使用的設(shè)備對備件的要求，海上平臺設(shè)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(huán)節(jié)，有更嚴(yán)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(jié)構(gòu)簡單、操作方便、利于維護(hù)和保養(yǎng)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(qū)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(zhuǎn)子相互嚙合后，將由進(jìn)口吸入的空氣和滑油的混合物進(jìn)行壓縮，形成高壓的油氣混合物，通過出口進(jìn)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(jìn)入油冷卻器，通過風(fēng)冷系統(tǒng)對滑油進(jìn)行冷卻后重新進(jìn)入泵頭，完成一個循環(huán)；而含少量油液的氣體，通過有分離器芯，進(jìn)一步分離油氣，氣體通過最小壓力閥進(jìn)入冷卻器，冷卻后的高壓氣體通過干燥塔進(jìn)入壓力儲罐，作為現(xiàn)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(gòu)成了空壓機系統(tǒng)，完成了常溫常壓空氣轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏簹怏w的過程。其主要由以下組成。

2.1 進(jìn)氣過濾系統(tǒng)

螺桿式空壓機的進(jìn)氣濾器，主要是由濾芯、防護(hù)罩、導(dǎo)管、進(jìn)氣蝶閥組成。為保障進(jìn)氣濾器的清潔，需要在月檢、季檢、年檢的過程中，對進(jìn)氣濾器的濾芯進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)灰塵及時用壓縮空氣進(jìn)行吹掃。在做2 000h維保時，需要將此濾芯進(jìn)行更換，以保障設(shè)備穩(wěn)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(qū)動的空氣壓縮機，作為其動力系統(tǒng)，一般采用電機對其進(jìn)行驅(qū)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(hù)保養(yǎng)方便，運行穩(wěn)定可靠，特別是在海上高潮濕、高鹽度的情況下，能夠保障內(nèi)部不受腐蝕影響正常穩(wěn)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(qū)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(tǒng)

從圖1看出，滑油冷卻系統(tǒng)主要有以下結(jié)構(gòu)：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(jìn)行相對運動時，將壓縮空氣和滑油混合進(jìn)行壓縮，進(jìn)入滑油冷卻器。在滑油冷卻器內(nèi)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(dāng)溫度低于這個溫度時，溫控閥關(guān)閉，滑油通過油過濾器過濾雜質(zhì)后，重新回到機頭參與下一次循環(huán)。當(dāng)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(jìn)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(huán)。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(xiàn)象為：

圖1 滑油冷卻系統(tǒng)

（1）滑油冷卻器一般為風(fēng)冷翅片式冷卻器，在設(shè)備運轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)行清理，清理過程中，要對換熱器逐層進(jìn)行清理干凈。清理過程中，嚴(yán)禁用銳利的工具對換熱器進(jìn)行清理，防止換熱器損壞而導(dǎo)致滲漏。

（2）在冷卻器制作時，對焊接工藝把關(guān)不嚴(yán)，造成肉眼無法檢查出的焊接沙眼的出現(xiàn)，雖然在出廠時進(jìn)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(jìn)一步擴大，逐漸達(dá)到滲漏的標(biāo)準(zhǔn)，隨之出現(xiàn)了滑油滲漏。也可能在運輸?shù)倪^程中，換熱器包裝的容器內(nèi)含有尖銳物質(zhì)造成換熱器的傷害，隨著使用時間增大，逐漸產(chǎn)生滲漏。這種情況一般很難發(fā)現(xiàn)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(qū)，但是依然無法準(zhǔn)確地判斷出滲漏位置。這就需要使用者從生產(chǎn)、包裝、運輸、安裝、使用等一系列的過程中，嚴(yán)格做到保護(hù)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(yán)導(dǎo)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(huán)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(fā)現(xiàn)O型圈失去彈性、表面硬化失去彈性、產(chǎn)生斷裂、劃痕等情況，這樣的O型圈都需要及時進(jìn)行更換。廢棄的O型圈嚴(yán)禁繼續(xù)使用。需要注意的是，橡膠表面產(chǎn)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(yán)格按照操作手冊上的說明，對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，定時對空壓機進(jìn)氣濾器、油濾器、油分離器芯和滑油進(jìn)行更換。為保障滑油的質(zhì)量，每季度需要取樣對滑油進(jìn)行化驗，當(dāng)出現(xiàn)不合格情況，需要及時進(jìn)行更換，防止因為滑油產(chǎn)生對機組的危害。由于滑油在油分離器內(nèi)流動，必將產(chǎn)生靜電，在對油分離器芯進(jìn)行更換時，嚴(yán)禁對分離器芯側(cè)端的金屬導(dǎo)電絲拆卸，以防止靜電聚集產(chǎn)生危險。

1.4 油分離及排放系統(tǒng)

雙螺桿壓縮機的油分離系統(tǒng)，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(fēng)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(jìn)入分離器頂部，再通過頂部的最小壓力閥最終到達(dá)滑油冷卻器。最小壓力閥只有分離器內(nèi)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(tǒng)內(nèi)的高壓氣體向分離器內(nèi)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(chǎn)生的靜電對設(shè)備產(chǎn)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(dǎo)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(jìn)入滑油冷卻器，進(jìn)行冷卻降溫后，進(jìn)入公用系統(tǒng)；滑油則返回機頭，進(jìn)行下一次循環(huán)。

油分離器內(nèi)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(jìn)行泄放。為保障撬內(nèi)衛(wèi)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(jīng)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(jìn)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(guān)。由于海上工作環(huán)境潮濕多鹽，而且加上閥門開關(guān)動作頻繁，極易造成閥門卡滯、不能開關(guān)到位的現(xiàn)象，造成干燥塔的故障。具體表現(xiàn)為：

（1）閥門的執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)過于頻繁導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)的接觸面產(chǎn)生應(yīng)力損壞，具體表現(xiàn)為受力接觸面硬磨損、卡滯，氣動執(zhí)行機構(gòu)由于雜志造成開關(guān)不到位、開關(guān)不嚴(yán)的情況。遇到這類問題，需要現(xiàn)場維保人員定期對閥門的執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，定期檢查、更換易損件，對執(zhí)行機構(gòu)定期檢查、潤滑，保證執(zhí)行機構(gòu)的可靠性、完整性和完好性。如果在檢查保養(yǎng)期間，發(fā)現(xiàn)閥門的執(zhí)行位置有磨損、卡滯現(xiàn)象，需要及時對設(shè)備進(jìn)行切換后，將閥門拆卸下來進(jìn)行檢修，防患于蔚然。

（2）對干燥塔濾料定期進(jìn)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(yōu)良的熱穩(wěn)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。活性氧化鋁是一種微量水深度干燥的高效干燥劑。干燥塔內(nèi)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(dǎo)致顆粒磨損嚴(yán)重，影響干燥效果。

（3）確保現(xiàn)場管線保溫伴熱的完整性。通過長時間的觀察發(fā)現(xiàn)，由于海洋環(huán)境冬天氣溫較低，極易造成管線的凍堵情況，最終會導(dǎo)致閥門開關(guān)無法動作，管線凍堵造成工作效果差。這就需要現(xiàn)場維保人員在每年入冬前進(jìn)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(jìn)行實際確認(rèn)，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(yè)人員，及時檢查恢復(fù)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(dǎo)致干燥塔產(chǎn)生故障。主要是由于夏季，海洋環(huán)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(dǎo)致的干燥塔報警。這種情況就需要維護(hù)人員定期對疏水閥進(jìn)行維保，清理內(nèi)部油跡，防止因為油污粘連造成疏水閥開關(guān)不嚴(yán)，造成冷凝水無法按時排出。

（5）干燥塔消音器故障。當(dāng)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(shè)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(nèi)部消音棉的消音效果降低，導(dǎo)致干燥塔排氣噪音過大，嚴(yán)重時會導(dǎo)致現(xiàn)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(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 空氣壓縮機的結(jié)構(gòu)

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(tǒng)。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(dāng)常溫常壓的空氣通過進(jìn)氣濾器，陽螺桿與陰螺桿相互嚙合后脫開，內(nèi)部的空間增大后，內(nèi)部形成負(fù)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(jìn)，通過泵出口和油氣混合物之間的管線，油氣混合物最終進(jìn)入油分離器，在泵內(nèi)完成一個循環(huán)。

3 結(jié)論

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

1）高振動造成的接線松動，導(dǎo)致設(shè)備非正常關(guān)機、非正常報警的次數(shù)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(fā)現(xiàn)設(shè)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(fā)生。

2）空壓機換熱器質(zhì)量不過關(guān)，導(dǎo)致?lián)Q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(tài)的梳理，發(fā)現(xiàn)這4臺空壓機在這段時間，共發(fā)生了4次冷卻器滲漏的現(xiàn)象，最終更換了4臺換熱器。這就需要在購買備件時，要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，在保障備件物美價廉的基礎(chǔ)上，對質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控。

（1）空壓機干燥塔氣動蝶閥頻繁損壞。主要問題的關(guān)鍵點，在于氣動蝶閥執(zhí)行機構(gòu)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(shè)備在長期的運轉(zhuǎn)過程中，維護(hù)保養(yǎng)不到位，沒有及時添加潤滑劑，造成損壞等。這就需要現(xiàn)場維保人員，及時切換主備機，對備用設(shè)備的備件保養(yǎng)及時進(jìn)行，防止由于海上腐蝕嚴(yán)重對設(shè)備進(jìn)行的腐蝕性損壞。

（2）維保人員需要定期對電機注油點進(jìn)行潤滑保養(yǎng)，保養(yǎng)時要嚴(yán)格執(zhí)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(jìn)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(shè)備的安全性、可靠性一直是現(xiàn)場操作人員所追求的目標(biāo)。而作為采油設(shè)備不可或缺的空氣壓縮機，一直以來，在整改平臺設(shè)備的運行系統(tǒng)中，處于關(guān)鍵設(shè)備的位置。作為8+1的關(guān)鍵設(shè)備，空氣壓縮機的穩(wěn)定運行與否，直接影響著整個平臺采油系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)。

作為空壓機系統(tǒng)比較成熟穩(wěn)定的因素，螺桿式空壓機，依靠其安全、穩(wěn)定、可靠、維護(hù)簡單方便的特點，一直頗受現(xiàn)場使用人員的青睞。

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