壓縮機(jī)組故障停機(jī)分析及對策措施

李 強(qiáng)

（中國石油天然氣集團(tuán)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(yè)區(qū)增壓站5座，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)壓縮機(jī)組21臺，5年內(nèi)壓縮機(jī)組故障停機(jī)次數(shù)總計為487次，故障停機(jī)頻率每天0.17～0.3次，平均一次故障停機(jī)少處理氣量0.13×104m3。

2 故障停機(jī)存在嚴(yán)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(chǎn)生火災(zāi)爆炸危險性，發(fā)動機(jī)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(tǒng)漏電等故障12次，現(xiàn)場出現(xiàn)過發(fā)動機(jī)缸頭漏氣著火事件，尤其在降噪密閉空間，危險性進(jìn)一步增加。

2.2 旋轉(zhuǎn)、往復(fù)部件斷裂失效

總計4次：其中風(fēng)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(xiàn)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(jī)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(fā)機(jī)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(tǒng)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(tǒng)失效。

2.5 氣閥失效

氣閥故障136次，主要表現(xiàn)為閥片、彈簧、緩沖墊等斷裂。

危險性：直接導(dǎo)致壓縮機(jī)超溫運(yùn)行、活塞桿超負(fù)荷發(fā)生斷裂、碎片進(jìn)入氣缸內(nèi)導(dǎo)致機(jī)械撞擊，引發(fā)嚴(yán)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(jī)組無損檢測：飛輪裂紋1個，管道、彎頭裂紋9處，其中產(chǎn)生飛輪裂紋的只運(yùn)行3年。

原因分析：

（1）在設(shè)計條件下運(yùn)行（壓力、溫度、壓力脈動等），管道的應(yīng)力狀態(tài)不會導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋或失效。

（2）在內(nèi)壓作用下，管道內(nèi)壁應(yīng)力大于外壁應(yīng)力，不會導(dǎo)致管道外表面裂紋。

（3）振動產(chǎn)生的應(yīng)力可從1 MPa到幾十MPa甚至上百M(fèi)Pa，由振動狀態(tài)決定。

（4）振動產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致外表面應(yīng)力大于內(nèi)壁表面。

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

飛輪裂紋產(chǎn)生部位均分布在輪轂筋與外輪連接處，是應(yīng)力集中部位，是最容易出現(xiàn)裂紋及擴(kuò)展失效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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(yīng)性改造及加強(qiáng)系統(tǒng)管理，目前氣閥很少出現(xiàn)故障。

原因分析：

（1）氣質(zhì)差：過濾分離系統(tǒng)工藝設(shè)計缺陷及維護(hù)不當(dāng)，過濾分離器的壓差未進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)故障后未進(jìn)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(xiàn)象：增壓初期壓力高、氣量大，增壓后期情況發(fā)生了顯著變化，氣閥未作相應(yīng)調(diào)整。反映出對氣閥參數(shù)認(rèn)識不清，氣閥應(yīng)用邊界條件把握不準(zhǔn)等技術(shù)管理問題。

（3）檢修維護(hù)質(zhì)量缺乏管理監(jiān)控：如兩次氣閥檢修間隔僅幾小時。一方面沒有對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，如彈簧彈性參數(shù)不一致，導(dǎo)致閥片、彈簧受力不均，運(yùn)行壽命大幅度縮短；另一方面未有效建立檢修質(zhì)量考核體系，對頻繁出現(xiàn)的異常檢修熟視無睹。

（4）沒有從系統(tǒng)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(yuǎn)小于設(shè)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(zhì)量問題，同時反映出技術(shù)管理上存在薄弱環(huán)節(jié)。

（2）閥片斷裂后未從技術(shù)參數(shù)上著手分析，導(dǎo)致多次出現(xiàn)的問題難以遏制，如2007年作業(yè)區(qū)通過對混合閥片進(jìn)行參數(shù)檢測，發(fā)現(xiàn)斷裂閥片與正常閥片相比厚度上要薄0.2 mm，通過調(diào)整后混合閥片實現(xiàn)零斷裂。

（3）配件使用缺乏技術(shù)管理，新?lián)Q配件按要求通過相關(guān)參數(shù)檢測合格后方可使用。檢修換件環(huán)節(jié)未把好最后關(guān)口，部分不合格產(chǎn)品在現(xiàn)場繼續(xù)應(yīng)用。

（4）閥片頻繁斷裂故障信息未及時有效反饋，導(dǎo)致存在問題的配件未及時調(diào)整。

3.4 機(jī)械連接、傳動系統(tǒng)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(fēng)扇軸承損壞9次，皮帶斷21次，連接螺栓6次，風(fēng)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(xiàn)場安裝、操作、工況調(diào)整等存在薄弱環(huán)節(jié)。

（2）低溫條件下啟機(jī)出現(xiàn)部件燒壞與操作直接相關(guān)，通過分析，在氣溫5℃條件下啟機(jī)操作不當(dāng)在2分鐘內(nèi)會出現(xiàn)十字頭等燒壞事故

（3）工況調(diào)節(jié)失誤，導(dǎo)致反向角較小會直接燒壞軸瓦等部件（整體機(jī)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(jī)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(zhì)量原因），如臥南ZTY265-7#機(jī)組運(yùn)行125 h就出現(xiàn)斷裂，同時也反映出皮帶裝配過松、過緊及對中等現(xiàn)場操作參數(shù)控制技術(shù)管理問題，如無對中檢測工具等。

（6）機(jī)械斷裂：斷裂風(fēng)扇軸最長使用壽命90142 h；風(fēng)扇葉片斷時累計運(yùn)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(tài)下，零部件及連接件只要存在一定的應(yīng)力集中和質(zhì)量缺陷，如強(qiáng)力連接、熱膨脹因素等未系統(tǒng)考慮，斷裂是必然，時間也不會太久，碳鋼在低于371 ℃下動應(yīng)力不允許超過50 MPa。

在零部件安裝及應(yīng)力控制認(rèn)識方面存在薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)場無相關(guān)技術(shù)手段加以控制，靠經(jīng)驗辦事，使得人為因素增多，重復(fù)斷裂難以避免。

3.5 潤滑系統(tǒng)故障

工作性能不穩(wěn)定等17次，其中注油器故障6次，潤滑無油流監(jiān)測故障11次。

原因分析：關(guān)鍵部件產(chǎn)品質(zhì)量存在問題，如潤滑無油流檢測開關(guān)彈簧斷裂5次，振動產(chǎn)生松動3次，對振動環(huán)境因素考慮不足?，F(xiàn)場對潤滑油管理粗放，潤滑系統(tǒng)發(fā)生堵塞4次。

4 對策措施

從487次故障停機(jī)中，我們感受到增壓隊伍在應(yīng)對故障停機(jī)與生產(chǎn)維護(hù)中所作的艱辛努力，同時也認(rèn)識到“多一次故障停機(jī)就多一份風(fēng)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(xiàn)“零故障停機(jī)”工作目標(biāo)，切實確保增壓環(huán)節(jié)“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行。

（1）系統(tǒng)深化認(rèn)識壓縮機(jī)組相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)，把精細(xì)化管理落到實處。

深入認(rèn)識增壓工藝系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)內(nèi)涵，增強(qiáng)對增壓系統(tǒng)設(shè)計、施工、運(yùn)行及維護(hù)檢修等環(huán)節(jié)的控制力。

細(xì)化掌握技術(shù)參數(shù)邊界條件，堅持故障查清其實質(zhì)：如軸瓦等燒傷失效是質(zhì)量還是裝配、操作、工況調(diào)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(jié)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(tǒng)問題系統(tǒng)分析：只有在日常生產(chǎn)技術(shù)管理工作中全面掌握設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、技術(shù)條件和允許偏差的程度，結(jié)合歷次維護(hù)保養(yǎng)精度檢測數(shù)據(jù)，故障統(tǒng)計分析，運(yùn)行參數(shù)分析等，才能夠全面掌握增壓系統(tǒng)的安全技術(shù)狀態(tài)及性能劣化趨勢。

（2）強(qiáng)化壓縮機(jī)組定期無損檢測管理，提高本質(zhì)安全水平。

事實已證明，在高溫、高壓及振動劇烈的條件下，機(jī)組本質(zhì)安全狀態(tài)會出現(xiàn)一些顯著變化，給增壓站的安全生產(chǎn)帶來的危害。排除質(zhì)量原因及劇烈振動導(dǎo)致振動應(yīng)力較大短期失效因素外，管道焊縫及表面裂紋發(fā)生在2～3年，長的達(dá)到8.7年。需要定期對壓縮機(jī)組相關(guān)環(huán)節(jié)的本質(zhì)安全狀態(tài)進(jìn)行檢測。

重點監(jiān)控運(yùn)行壓力高、振動大的機(jī)組，關(guān)鍵是要做好應(yīng)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(jī)組制造及配套的技術(shù)水平和質(zhì)量。

加強(qiáng)關(guān)鍵零部件選型的優(yōu)化分析和論證：首先解決現(xiàn)場故障頻率高、質(zhì)量性能穩(wěn)定性差的零部件，如在大氣環(huán)境下使用的混合閥片斷裂、皮帶斷等問題，切實降低現(xiàn)場故障停機(jī)帶來的風(fēng)險。

系統(tǒng)深入分析不常見但后果嚴(yán)重的故障：如連桿斷裂、風(fēng)扇葉片斷等，有效提高裝置系統(tǒng)本質(zhì)安全水平。

深化研究機(jī)組配成套技術(shù)：關(guān)鍵要解決振動導(dǎo)致的如管道焊縫斷裂、冷卻器絲堵斷裂等的防治問題，強(qiáng)化機(jī)組配套系統(tǒng)質(zhì)量控制。

開展控制系統(tǒng)專項調(diào)查和分析：論證相關(guān)環(huán)節(jié)的風(fēng)險及防治措施，如緊急停車的可靠性、核心控制部件的現(xiàn)場安裝條件及失效的風(fēng)險等，確?？刂葡到y(tǒng)要“一招致勝”。

（4）細(xì)化增壓站工藝設(shè)計與布局優(yōu)化控制，強(qiáng)化安裝施工技術(shù)管理

在細(xì)化設(shè)計與優(yōu)化布局方面，關(guān)鍵作好場站工藝設(shè)計與機(jī)組設(shè)計相結(jié)合，避免管道系統(tǒng)共振，場站工藝系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)壓縮機(jī)固有激振頻率范圍及壓縮介質(zhì)參數(shù)，并結(jié)合管道系統(tǒng)固有頻率范圍計算確定管道設(shè)計和布局，避免管道氣柱共振和機(jī)械共振。如在脈動頻率14 Hz，40 ℃，天然氣等熵絕熱指數(shù)1.26，按照API618標(biāo)準(zhǔn)計算開閉端情況下一階共振管長為8.4 m，則進(jìn)排管道系統(tǒng)中相應(yīng)管道長度應(yīng)避開6.7～10.1 m范圍，如某井口振動烈度達(dá)到2.56 mm/s（現(xiàn)場人眼即可看出井口擺動），頻率12 Hz，與壓縮機(jī)組激勵頻率一致，因管道系統(tǒng)存在共振而壓縮機(jī)組冷卻器振動最高達(dá)到1.326 mm（超標(biāo)約10倍）。

在安裝施工技術(shù)管理方面，在綜合考慮管道固有頻率及共振管長度、有關(guān)熱應(yīng)力限制條件等基礎(chǔ)上，合理確定管道支撐布局，通過支撐調(diào)節(jié)管系剛度和固有頻率，管系固有頻率應(yīng)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(yán)格執(zhí)行管理制度和相關(guān)規(guī)定

按照《增壓開采生產(chǎn)技術(shù)管理辦法》，對壓縮機(jī)組實行全過程的綜合管理；按照《新建增壓站的相關(guān)技術(shù)規(guī)定》，對相關(guān)環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)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(guān)參數(shù)進(jìn)行控制；按照《增壓生產(chǎn)管理辦法》，對增壓生產(chǎn)全過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理。

5.2 建立完備的故障數(shù)據(jù)檔案

通過故障統(tǒng)計資料建立數(shù)據(jù)檔案，形成時間軸為樹干，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)為樹枝的信息體系，為設(shè)備壽命周期內(nèi)各項技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)狀態(tài)及性能劣化趨勢等的分析評價提供完備數(shù)據(jù)和信息資料，并對設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)及影響因素進(jìn)行定期、定量分析和評估，及時對相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)改造和優(yōu)化調(diào)整。

深入開展故障數(shù)理統(tǒng)計分析，為實現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性維修提供科學(xué)依據(jù)，改變目前只能進(jìn)行定期維修或事后維修狀態(tài)，達(dá)到目前股份公司對設(shè)備管理工作的要求，如通過混合閥平均無故障時間的統(tǒng)計和分析，就可以指導(dǎo)對制約因素的分析和預(yù)期壽命的統(tǒng)計。

5.3 積極推行設(shè)備狀態(tài)檢測和故障診斷技術(shù)

推行設(shè)備安全狀態(tài)、精度狀態(tài)、性能狀態(tài)等的檢測、分析及評估制度，使?fàn)顟B(tài)檢測與故障診斷技術(shù)成為設(shè)備狀態(tài)管理的技術(shù)基礎(chǔ)，關(guān)鍵做好振動、噪聲頻譜監(jiān)測與分析，發(fā)動機(jī)動力性能、壓縮機(jī)容積效率及核心部件如氣閥等的性能狀態(tài)檢測等技術(shù)的應(yīng)用和推廣，準(zhǔn)確把握設(shè)備性能劣化狀態(tài)及趨勢，及時發(fā)現(xiàn)隱患，確保裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。

5.4 強(qiáng)調(diào)跟蹤評價，把好質(zhì)量關(guān)

要加強(qiáng)技術(shù)管理力度，對多次重復(fù)出現(xiàn)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(xiàn)狀。

要建立檢修維護(hù)質(zhì)量考核管理制度，考核內(nèi)容兩方面：達(dá)到相應(yīng)機(jī)型檢修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)參數(shù)、技術(shù)條件和允許偏差的程度；設(shè)備檢修驗收后在保修期內(nèi)的返修率。

5.5 強(qiáng)化信息反饋，促進(jìn)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)

適時通報機(jī)組故障信息，并反饋制造廠，同類問題不得多次出現(xiàn)。

5.6 加強(qiáng)安防系統(tǒng)的維護(hù)管理

增壓站可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)等的設(shè)計除應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外，還應(yīng)考慮壓縮機(jī)組的實際情況，如發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)不能夠做到滿足防爆場所使用的要求，“應(yīng)在每個可燃?xì)怏w的源頭，半徑為1524 mm范圍內(nèi)取樣，并向上和向下延伸至工藝區(qū)域內(nèi)底部或頂部”。同時應(yīng)按照相關(guān)檢定等規(guī)定，做好相關(guān)工作，確定安防系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

5.7 嚴(yán)把完工交接關(guān)

按照相關(guān)規(guī)定和要求，必須完成相關(guān)項目的參數(shù)檢測并合格后履行相關(guān)手續(xù)，特別是壓縮機(jī)組大（項）修及外委年保工作的交接必須到位，確保機(jī)組安全平穩(wěn)投入運(yùn)行。