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(xué)研究院有限公司設(shè)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?shù)闹匾O(shè)備，天然氣壓縮機已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在煤氣或石油氣的輸送[1]。為了達到高效產(chǎn)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(xiàn)場工況和氣質(zhì)經(jīng)常發(fā)生變化、管道內(nèi)存在腐蝕的情況和設(shè)備維修維護等原因，氣體經(jīng)過壓縮機后常含有雜質(zhì)，如液滴或粉塵等。管道內(nèi)存在的雜質(zhì)會引起閥門、管道內(nèi)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(xiàn)故障，影響過濾效率。由于濾芯直接接觸的介質(zhì)是潤滑油，所以采用油液分析技術(shù)分析濾芯的相關(guān)故障[2]。油液分析技術(shù)是通過分析機械設(shè)備的在用潤滑油的性能變化和攜帶的磨損磨粒，獲取設(shè)備潤滑和磨損狀態(tài)的信息，評價設(shè)備工況和預(yù)測故障，并確定故障原因及類型的技術(shù)。

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(shù)，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(xì)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(fā)黑，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，且覆蓋黏著物，現(xiàn)場拆卸后送檢，準(zhǔn)備從外觀、濾芯中殘留油樣、濾芯拆解后浸出液與雜質(zhì)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(fā)現(xiàn)濾芯工作層為5層結(jié)構(gòu)（圖2）：①支撐濾網(wǎng)為金屬，最外側(cè)與最內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)1 層孔徑致密的纖維濾紙組成。過濾層中，由外側(cè)到內(nèi)側(cè)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(xué)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(xué)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(shè)備型號為Leeman Prodigy 7。為進一步確認(rèn)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(shè)備型號為ZEISS EVO 18，能譜儀（EDS）的設(shè)備型號為Bruker XFlash630M，作用是對顆粒表面元素分布進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀分析

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

2.2 濾芯光學(xué)顯微分析

濾芯過濾層的光學(xué)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(zhì)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(jié)構(gòu)（光學(xué)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(fā)射光譜法（ICP-AES）測定用過的和未用過的潤滑油和基礎(chǔ)油的多元素測定方法》執(zhí)行（表1）。光譜元素分析結(jié)果表明，濾芯中殘留油樣的Fe 含量較高，意味著設(shè)備中鋼質(zhì)部件可能存在異常磨損情況；Cu 含量較高，代表設(shè)備中銅合金存在磨損；Si 的存在證明系統(tǒng)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(jié)果 mg/kg

2.4 光學(xué)顯微分析

光學(xué)顯微分析是指在光學(xué)顯微鏡下，對濾膜上的物質(zhì)進行觀察與分析，判斷顆粒尺寸類型（圖6）。分析結(jié)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(xué)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(jié)果表明，初步判斷濾芯提取的顆粒主要是鋼質(zhì)顆粒、油泥顆粒和濾芯纖維（圖7）。對鋼質(zhì)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(zhí)行（圖8、圖9、表2）。結(jié)果表明：

表2 殘留油樣元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖7 面掃元素分布分析

圖8 鋼質(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(shè)備中鋼質(zhì)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(chǎn)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(xiàn)凝聚狀態(tài)，但數(shù)量較多、分布較廣，是濾芯發(fā)生堵塞的重要原因。

根據(jù)設(shè)備使用情況，油泥發(fā)生的原因推斷為設(shè)備異常高溫，導(dǎo)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(jù)現(xiàn)場描述，設(shè)備可能存在混入其他油品的可能，為進一步確認(rèn)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(jié)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(dǎo)則》中礦物油含量異常極限值（＞4%）。

3 結(jié)論

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

（2）對濾芯過濾層的3 層結(jié)構(gòu)進行光學(xué)顯微分析，發(fā)現(xiàn)大量油泥主要存在于里層結(jié)構(gòu)。

（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(yuǎn)低于DL/T 571—2014《電廠用磷酸酯抗燃油運行維護導(dǎo)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(chǎn)生的原因可能為設(shè)備異常高溫，導(dǎo)致油溫升高，加速了油品氧化，生成了大量油泥。