油分芯導(dǎo)致TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)著火原因分析

張宏偉， 劉治國(guó)

（中車(chē)大同電力機(jī)車(chē)有限公司 技術(shù)中心，山西大同037038）

0 引言

通過(guò)分析TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)機(jī)組在段裝車(chē)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題, 發(fā)現(xiàn)TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)油分芯在一定情況下存在火災(zāi)安全隱患，即當(dāng)TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)中的油分芯存在靜電導(dǎo)出不良及油氣分離器中的回油管路不通暢問(wèn)題時(shí), 就存在引燃濃度超標(biāo)的油氣混合物的情況，此時(shí)若空氣壓縮機(jī)仍沒(méi)有停止工作,勢(shì)必將造成壓縮機(jī)著火,如處理不及時(shí)必將引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)事故。為了避免油分芯導(dǎo)致壓縮機(jī)火災(zāi)事故的發(fā)生，本文對(duì)油分芯導(dǎo)致TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)著火原因進(jìn)行相關(guān)分析，并提出相應(yīng)的解決辦法。

1 油分芯導(dǎo)致TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)著火機(jī)理

1.1 TSA-2.4A空氣壓縮機(jī)著火可燃物分析

在正常的工作情況下,TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣在通過(guò)油氣分離器分離后，其含油量很低（一般小于5 mg/m3）,低含油量的空氣通常不會(huì)出現(xiàn)被點(diǎn)燃或高溫自燃情況。當(dāng)機(jī)頭回油管路出現(xiàn)堵塞情況時(shí),會(huì)使得油分芯發(fā)生回油不暢現(xiàn)象, 此時(shí)從油分芯分離出來(lái)的潤(rùn)滑油無(wú)法及時(shí)通過(guò)機(jī)頭進(jìn)入到油氣筒, 便會(huì)在油分芯集油池內(nèi)聚集起來(lái)[1]。在壓縮空氣的攪動(dòng)下,超高油液能夠促使油分芯內(nèi)油氣混合物濃度急劇增大, 濃度超標(biāo)的油氣混合物就成為導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)著火的可燃物。

1.2 TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)著火助燃物

TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生壓縮空氣, 由于壓縮空氣中含有大量氧氣,因此壓縮空氣將作為助燃物。

1.3 TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)著火點(diǎn)分析

油分芯分離油氣混合物時(shí), 油氣混合物中相對(duì)較小的油滴顆粒會(huì)與濾材纖維發(fā)生摩擦,并產(chǎn)生靜電。當(dāng)靜電產(chǎn)生累積且無(wú)法及時(shí)被釋放時(shí),就有可能會(huì)放電產(chǎn)生火花。

2 TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)油分芯

2.1 油分芯的材質(zhì)及工作原理

油氣混合物通過(guò)油分芯分離開(kāi), 讓油回到機(jī)器里進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，油分芯分離油氣混合物原理如圖1所示。

圖1 TSA-2.4A型壓縮機(jī)油分芯分離油氣流程圖

油氣分離器9就是能夠?qū)崿F(xiàn)油和氣混合物相分離的一個(gè)罐子，其中油分罐一般為圓柱形，油分罐內(nèi)有一個(gè)油氣分離濾芯，簡(jiǎn)稱油分芯。常見(jiàn)的油分芯大多由微米級(jí)別的多層細(xì)密玻璃纖維制成,一般有23層左右，含有霧狀油的壓縮空氣經(jīng)過(guò)油分離器后幾乎可以被完全去除[2]。

其工作原理是當(dāng)油和氣的混合物以一定的流速穿過(guò)玻璃纖維濾材時(shí), 油滴大部分會(huì)被甩到油分罐的內(nèi)壁上被物理機(jī)械直接攔截, 在重力的作用下沿著內(nèi)壁流到油分罐的底部。而少數(shù)部分由于慣性碰撞等凝聚在一起,使得壓縮空氣中的懸浮油微粒快速聚集成為體積較大的油滴，形成的油滴在重力作用下會(huì)被聚集在油分芯底部的集油池中[3]，實(shí)際上油氣混合物在穿透油分芯之前，油氣混合物中大約99%的油分已被分離掉到油分罐底部。經(jīng)過(guò)油分芯的處理會(huì)使得壓縮機(jī)產(chǎn)生的空氣含油量更低，空氣更加純凈。被聚集在油分芯底部的油之后通過(guò)回油管路使集油池中的油返回機(jī)頭17內(nèi)部,參與下一循環(huán)。其中回油管上有一單向閥29，使得機(jī)油只能由油分芯底部流入主機(jī)的壓縮腔。而經(jīng)油分芯過(guò)濾后的空氣，經(jīng)過(guò)最小壓力維持閥7流向后部冷卻器冷卻后再排出空壓機(jī)。

2.2 油分芯靜電產(chǎn)生原因及導(dǎo)出通路

油微粒穿過(guò)濾材時(shí)會(huì)因摩擦產(chǎn)生靜電，該靜電必須得到消除。所以油分芯內(nèi)部的金屬部件需具有導(dǎo)電連接，以傳導(dǎo)靜電，同時(shí)確保與空壓機(jī)機(jī)體導(dǎo)電連接。否則油分芯靜電釋放產(chǎn)生的能量可能會(huì)點(diǎn)燃潤(rùn)滑油，且隨時(shí)可能會(huì)發(fā)生燃爆或爆炸。油微粒穿過(guò)濾材摩擦產(chǎn)生的靜電導(dǎo)出通路為：靜電經(jīng)油分芯導(dǎo)電片至油分芯法蘭后，再經(jīng)過(guò)油分芯墊片的導(dǎo)電片傳至油氣筒，最后由空壓機(jī)接地線導(dǎo)入機(jī)車(chē)殼體。經(jīng)過(guò)對(duì)空氣壓縮機(jī)多年的跟蹤測(cè)試，確認(rèn)油分芯靜電導(dǎo)出通路電阻并不會(huì)隨著運(yùn)用時(shí)長(zhǎng)而發(fā)生變化。

3 TSA-2.4A空氣壓縮機(jī)靜電燃爆試驗(yàn)再現(xiàn)

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

為明確油分芯靜電產(chǎn)生過(guò)程和影響因素，通過(guò)模擬空壓機(jī)靜電燃爆現(xiàn)象進(jìn)行了再現(xiàn)試驗(yàn)，主要過(guò)程為：選用空壓機(jī)，按圖2位置在油分芯回油管路加裝截止閥，控制排氣含油量；按圖3所示拆除油分芯上下墊片的導(dǎo)電片；按圖4、圖5破壞油分芯自身導(dǎo)電連接；按圖6所示加裝靜電聚集放電打火機(jī)構(gòu)；按圖7所示測(cè)量油分芯裝機(jī)后導(dǎo)電情況，隔離油分芯至不導(dǎo)通。

圖2 油分芯回油管路加裝截止閥

圖3 去油分芯墊片導(dǎo)電片

按圖8所示，設(shè)置溫度傳感器，分別記錄油分芯燃燒5、10、15、20、21～32 s時(shí)高溫保護(hù)開(kāi)關(guān)位置和系統(tǒng)內(nèi)溫度最高點(diǎn)溫度。其中2號(hào)位為油分蓋上排氣口（原高溫保護(hù)開(kāi)關(guān)位置），5號(hào)位為油氣筒尾部排氣口（系統(tǒng)內(nèi)溫度最高點(diǎn)）。

說(shuō)明：由于油分芯的工作原理決定，壓縮空氣通過(guò)油分芯玻璃纖維層，會(huì)產(chǎn)生靜電，當(dāng)按圖4、圖5操作進(jìn)行隔離后，靜電會(huì)聚集到內(nèi)護(hù)網(wǎng)，得不到釋放，當(dāng)圖6中所加裝的導(dǎo)線束與內(nèi)護(hù)網(wǎng)在合適的間隙下，聚集在內(nèi)護(hù)網(wǎng)上電荷量達(dá)到足夠量后，會(huì)造成尖端放電現(xiàn)象，從而引發(fā)電火花，再在合適油氣濃度下，即可實(shí)現(xiàn)油分芯的燃燒。

圖8 溫度傳感器設(shè)置點(diǎn)

啟停模式，預(yù)設(shè)空壓機(jī)工作壓力：750～900 kPa，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為：打風(fēng)時(shí)間40～120 s，停機(jī)時(shí)間40～120 s。

試驗(yàn)中，可以通過(guò)適當(dāng)遮擋冷卻器的方式，提高排氣溫度至99～116 ℃，接近溫度開(kāi)關(guān)設(shè)定值（120±4）℃。

試驗(yàn)過(guò)程允許停機(jī)補(bǔ)油，控制試驗(yàn)中正常油位。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果：從2018年6月下旬至2018年9月底，共選取了7個(gè)油分芯（1號(hào)～7號(hào)）對(duì)空壓機(jī)靜電燃爆現(xiàn)象進(jìn)行了再現(xiàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)后油分芯（1號(hào)～7號(hào)）狀態(tài)如圖9所示，2號(hào)位和5號(hào)位溫度測(cè)試結(jié)果如表2所示，溫度變化情況如圖10所示。

1號(hào)油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號(hào)檢測(cè)合格品，正常油位至底油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)18 h，壓力750～900 kPa，油分芯未見(jiàn)異常。

2號(hào)油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號(hào)檢測(cè)合格品，底油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)約30 h，壓力750～900 kPa，油分芯未見(jiàn)異常。高溫累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)144 h，壓力750～1000 kPa，油分芯未見(jiàn)異常。

表1 油分芯通電測(cè)試結(jié)果表

圖9 試驗(yàn)后油分芯（1號(hào)～7號(hào)）狀態(tài)圖

表2 溫度值記錄表

3號(hào)油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號(hào)檢測(cè)不合格品，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)230 h，壓力550～700 kPa，550～800 kPa，750～900 kPa，運(yùn)行溫度120 ℃，油分芯未見(jiàn)異常。

4號(hào)油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號(hào)檢測(cè)不合格品，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)130 h，壓力750～900 kPa，運(yùn)行溫度120 ℃，油分芯未見(jiàn)異常。

5號(hào)油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號(hào)檢測(cè)不合格品，沒(méi)去除油分芯墊片上下導(dǎo)電片，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)已100 h，壓力800～950 kPa，運(yùn)行溫度90～115 ℃，油分芯未見(jiàn)異常。

圖10 不同位置溫度變化圖

6號(hào)油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號(hào)檢測(cè)合格品，改制油分、加裝放電結(jié)構(gòu)，未去除油分芯內(nèi)導(dǎo)電片，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)120 h左右，壓力800～950 kPa，運(yùn)行溫度90～115 ℃，油分芯未見(jiàn)異常。

7號(hào)油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號(hào)檢測(cè)合格品，改制油分、加裝放電結(jié)構(gòu)，去除油分芯內(nèi)導(dǎo)電片，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)13 h左右，壓力800～950 kPa，運(yùn)行溫度90～115 ℃，在起機(jī)溫度70～75 ℃時(shí)，油分芯出現(xiàn)起火燒蝕。由于起火時(shí)的起機(jī)溫度相比較潤(rùn)滑油閃點(diǎn)230 ℃低很多，且油位正常，因而明火來(lái)源應(yīng)是油分芯內(nèi)護(hù)網(wǎng)靜電聚集到了足夠量，在合適放電間隙下引發(fā)了尖端放電。

4 結(jié)論

通過(guò)上述靜電燃爆再現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程可以看出：空壓機(jī)油分芯靜電燃爆確實(shí)存在，但是屬于小概率事件，只有在靜電導(dǎo)出受阻，且聚集達(dá)到一定程度，在油分芯內(nèi)油氣濃度合適的情況下，才有可能觸發(fā)形成；另外，在出現(xiàn)靜電燃燒時(shí)，油氣桶內(nèi)潤(rùn)滑油溫度相對(duì)而言可能比較正常，而后端油分芯排氣口的溫度瞬間可以達(dá)到600 ℃以上。

空壓機(jī)發(fā)生油分芯靜電燃爆后會(huì)導(dǎo)致油分芯處的排氣溫度迅速上升，根據(jù)這一特點(diǎn)，為了降低靜電燃爆事故影響程度，需要迅速切斷空壓機(jī)控制回路。基于此，需要對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)對(duì)溫度變化敏感、響應(yīng)速度更快的新型溫度開(kāi)關(guān)產(chǎn)品。保證TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)在油分芯出現(xiàn)靜電現(xiàn)象時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)對(duì)溫升速率響應(yīng)及時(shí)，保證空氣壓縮機(jī)主動(dòng)及時(shí)切斷控制回路自動(dòng)停機(jī)。