地下儲(chǔ)氣庫(kù)壓縮機(jī)氣缸余隙調(diào)節(jié)裝置故障處理及分析

李治發(fā)

(中石化天然氣分公司，貴州 貴陽(yáng) 550009)

1 地下儲(chǔ)氣庫(kù)壓縮機(jī)組簡(jiǎn)介及故障發(fā)現(xiàn)過(guò)程概況

1.1 地下儲(chǔ)氣庫(kù)簡(jiǎn)介

某地下儲(chǔ)氣庫(kù)為枯竭型氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)，設(shè)計(jì)庫(kù)容5.88×108m3，墊底氣2.93×108m3，工作氣量2.95×108m3，設(shè)計(jì)上限壓力27.0 MPa，下限壓力13V0 MPa。氣庫(kù)設(shè)計(jì)有3臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)，日注氣量可達(dá)200×104m3/d。其中某臺(tái)機(jī)組運(yùn)行7075 h時(shí)出現(xiàn)氣缸余隙調(diào)節(jié)裝置余隙活塞脫落，氣缸出現(xiàn)撞缸導(dǎo)致活塞、氣缸缸套嚴(yán)重?fù)p壞故障。

2.2 故障壓縮機(jī)組簡(jiǎn)介

壓縮機(jī)組采用電驅(qū)往復(fù)壓縮機(jī)，型號(hào)為4RDSA-2/YB710-6，設(shè)計(jì)進(jìn)氣壓力6.0 MPa，額定排氣壓力23.5 MPa，排氣量62萬(wàn)m3/d。電機(jī)型號(hào)為YB710-6-1500 kW，額定電壓6000 V，額定電流177 A，額定功率1500 kW，額定轉(zhuǎn)速994 r/min。壓縮機(jī)采用兩級(jí)壓縮，四列對(duì)稱(chēng)平衡型結(jié)構(gòu)，每級(jí)2個(gè)氣缸，一級(jí)氣缸直徑5.75，二級(jí)氣缸直徑4.5，行程5.5。機(jī)組共有4個(gè)氣缸，編號(hào)按曲拐順序編號(hào)，依次為1#、2#、3#、4#氣缸，其中1#和3#氣缸是二級(jí)氣缸，2#和4#氣缸是一級(jí)氣缸。一級(jí)氣缸(2#和4#氣缸)設(shè)置有氣缸余隙調(diào)節(jié)裝置，俗稱(chēng)氣缸余隙頭，用來(lái)調(diào)節(jié)余隙容積以調(diào)節(jié)機(jī)組排氣量，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)振動(dòng)值變化

2.3 故障發(fā)現(xiàn)過(guò)程概況

某日凌晨3點(diǎn)，運(yùn)行值班人員值班巡檢發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)振動(dòng)值偏大，機(jī)組有異響，振動(dòng)值未達(dá)到設(shè)定報(bào)警停機(jī)值，機(jī)組未停機(jī)。3：45，機(jī)組異響擴(kuò)大，值班人員向值班干部匯報(bào)機(jī)組出現(xiàn)巨大異響。4：15值班干部向公司調(diào)控中心申請(qǐng)故障停機(jī)，4：20調(diào)控中心同意后手動(dòng)停機(jī)。8：05壓縮機(jī)維保單位開(kāi)始對(duì)機(jī)組進(jìn)行放空拆卸檢查。

2 壓縮機(jī)故障檢查及原因分析

機(jī)組故障發(fā)生時(shí)，主要現(xiàn)象為機(jī)組四號(hào)氣缸(一級(jí)氣缸)出現(xiàn)異響。機(jī)組振動(dòng)值偏大，但未達(dá)到停機(jī)報(bào)警值，未觸發(fā)機(jī)組振動(dòng)報(bào)警。停機(jī)前后，四號(hào)氣缸排氣溫度變化明顯變化，盤(pán)根溫度顯著上升。從SCADA系統(tǒng)查看機(jī)組測(cè)點(diǎn)信息，機(jī)組振動(dòng)值變化情況如圖1所示。壓縮機(jī)四號(hào)氣缸排氣溫度及盤(pán)根溫度變化如圖2和3所示。

圖2 四號(hào)缸排氣溫度變化

圖3 四號(hào)填料溫度變化

在對(duì)存在異響的四號(hào)氣缸進(jìn)行拆卸后，發(fā)現(xiàn)氣缸余隙活塞碎裂、余隙缸斷裂。在對(duì)壓縮活塞拆卸后，發(fā)現(xiàn)該氣缸活塞端部損傷，活塞環(huán)、支撐環(huán)破損，缸套明顯磨損。在對(duì)機(jī)組其他氣缸進(jìn)行進(jìn)一步檢查后，發(fā)現(xiàn)二號(hào)氣缸，也存在缸套磨損、活塞環(huán)損壞問(wèn)題。

根據(jù)以上檢查內(nèi)容，結(jié)合機(jī)組振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，機(jī)組故障原因如下：

(1)四號(hào)氣缸余隙活塞O形圈在高溫、高壓環(huán)境下發(fā)生了老化，造成密封失效，高壓氣體進(jìn)入余隙缸后端，由于余隙活塞和余隙桿之間有間隙，使得吸排氣過(guò)程中氣體壓力的脈動(dòng)導(dǎo)致余隙活塞發(fā)生軸向串動(dòng)，余隙活塞來(lái)回撞擊余隙桿。如圖1所示，余隙活塞與余隙桿連接方式為T(mén)型頭連接，此T型頭設(shè)計(jì)在余隙活塞來(lái)回撞擊的情況下容易出現(xiàn)斷裂而產(chǎn)生事故。因此造成凌晨1：05左右余隙桿T型頭位置斷裂，余隙活塞脫落。

(2)余隙活塞脫落后，在余隙氣缸、殘余余隙桿所形成的空隙內(nèi)不斷與余隙桿、余隙氣缸發(fā)生撞擊。撞擊過(guò)程不斷沖擊余隙氣缸缸頭位置，造成缸頭疲勞破壞，進(jìn)而發(fā)生余隙氣缸缸頭斷裂脫落。缸頭與余隙活塞一同進(jìn)入工作氣缸。

(3)余隙氣缸缸頭、余隙活塞碎片進(jìn)入氣缸工作腔產(chǎn)生撞缸現(xiàn)象，并造成活塞、活塞環(huán)、支撐環(huán)以及缸套嚴(yán)重?fù)p壞。

(4)由于缸套磨損過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，氣缸溫度升高。停機(jī)后，排氣緩沖罐氣體不再流動(dòng)，填料冷卻水停止循環(huán)，氣缸熱量向緩沖罐與填料擴(kuò)散，造成如圖2、3所示的排氣溫度、填料溫度的變化。但停機(jī)前，排氣溫度約60 ℃，填料溫度約53 ℃，遠(yuǎn)小于排氣溫度和填料溫度報(bào)警值126 ℃。

3 壓縮機(jī)系統(tǒng)性檢測(cè)情況

除對(duì)現(xiàn)場(chǎng)損壞部件的情況進(jìn)行檢查外，對(duì)機(jī)組的其它部件也進(jìn)行了檢查，以弄清楚機(jī)組受損嚴(yán)重程度。

(1)檢查各列主軸瓦、連桿瓦間隙，其值在正常范圍內(nèi)，滿(mǎn)足要求。各列十字頭瓦與滑道上、下間隙，其值在正常范圍內(nèi)，滿(mǎn)足要求；

(2)拆除發(fā)生問(wèn)題列連桿部件，檢查連桿大頭瓦及小頭襯套，滿(mǎn)足使用要求，檢查曲軸撓度，其值為0.006 mm，小于規(guī)定值0.025 mm；

(3)檢查各列氣缸缸套的磨損情況，一號(hào)、三號(hào)氣缸缸套正常，四號(hào)缸缸套磨損嚴(yán)重，二號(hào)缸缸套局部磨損，需進(jìn)行返廠(chǎng)維修；

(4)二號(hào)缸余隙活塞與余隙桿的配合間隙在正常范圍內(nèi)(此余隙活塞雖未損壞，仍準(zhǔn)備更換為改進(jìn)型)；

(5)拆檢的氣閥閥座密封面有少許損傷，可修復(fù)使用；

通過(guò)對(duì)檢查數(shù)據(jù)的分析，機(jī)組基礎(chǔ)件機(jī)體、曲軸、連桿、十字頭部件正常，可以安全使用，四號(hào)、二號(hào)氣缸缸套需進(jìn)行更換，2個(gè)活塞部件返廠(chǎng)做進(jìn)一步探傷檢查。

4 機(jī)組修復(fù)情況

根據(jù)機(jī)組受損及相關(guān)檢測(cè)情況，制定修復(fù)方案。

(1)更換以下配件：包括一級(jí)余隙缸部件2套、一級(jí)氣缸缸套2個(gè)、4號(hào)缸活塞、一級(jí)氣閥閥片3套、一級(jí)活塞環(huán)及支撐環(huán)2套。具體數(shù)量及進(jìn)度安排如表1。

表1 配件修理計(jì)劃表

其中，由于余隙活塞組件在設(shè)計(jì)上的固有缺陷，壓縮機(jī)廠(chǎng)家已停用了T型頭連接安裝方式，此次返廠(chǎng)更換形式為改進(jìn)型，杜絕了后期余隙活塞脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)二號(hào)和四號(hào)2個(gè)一級(jí)氣缸返廠(chǎng)進(jìn)一步檢測(cè)，更換缸套，更換四號(hào)缸活塞，檢查活塞桿的形位公差，無(wú)損探傷檢查是否有裂紋，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定是否更換。

(3)更換機(jī)組所有氣閥、填料環(huán)、活塞環(huán)、支承環(huán)、O形圈等易損件。

(4)機(jī)組恢復(fù)安裝，按機(jī)組出廠(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求進(jìn)行詳細(xì)檢查、試驗(yàn)。

(5)結(jié)合實(shí)際工況調(diào)整機(jī)組振動(dòng)、溫度的報(bào)警停機(jī)值，確保機(jī)組自控系統(tǒng)能起保護(hù)作用。

通過(guò)壓縮機(jī)廠(chǎng)家的密切配合，及時(shí)生產(chǎn)加工氣缸缸套、活塞等部件，我們?cè)诠收虾蟮?5 d內(nèi)完成了機(jī)組的修復(fù)工作，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行。

5 壓縮機(jī)管理原因分析

(1)氣缸余隙頭設(shè)計(jì)不合理，余隙活塞與余隙桿采用T型頭連接，兩者有間隙存在，且強(qiáng)度及抗疲勞性均不足，設(shè)計(jì)存在安全隱患。壓縮機(jī)廠(chǎng)家既然已經(jīng)升級(jí)改進(jìn)了氣缸余隙頭的設(shè)計(jì)制造，卻沒(méi)有對(duì)前期生產(chǎn)的設(shè)備的使用單位進(jìn)行告知更換，抱有一定的僥幸心理，這從根源上決定了本次故障的可能性存在。余隙活塞與余隙桿采用螺紋連接，兩者無(wú)間隙，杜絕了余隙活塞來(lái)回撞擊余隙桿的可能性。

(2)機(jī)組維護(hù)保養(yǎng)工作有缺項(xiàng)，該機(jī)組在出現(xiàn)故障時(shí)距生產(chǎn)時(shí)間已有4年時(shí)間，機(jī)組已運(yùn)行了7075 h，通過(guò)檢查前期各級(jí)保養(yǎng)工作報(bào)告發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組前期運(yùn)行的各級(jí)維保中均未對(duì)氣缸余隙頭進(jìn)行檢查，余隙活塞O型圈老化未曾發(fā)現(xiàn)，更未曾更換。如前所述，余隙活塞O型圈老化是導(dǎo)致后面一系列故障的直接原因。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理加上維保工作的缺失，直接造成了本次故障的出現(xiàn)。

(3)壓縮機(jī)出廠(chǎng)設(shè)定的報(bào)警值、連鎖停機(jī)值偏大，設(shè)置不合理，機(jī)組報(bào)警未起作用。由于機(jī)組振動(dòng)值報(bào)警值為10 mm/s，停機(jī)值為14 mm/s，高于機(jī)組異常運(yùn)行期間4 mm/s到8 mm/s的波動(dòng)值，四號(hào)缸排氣溫度和填料溫度報(bào)警值均為126 ℃，停機(jī)值為132 ℃，遠(yuǎn)高于實(shí)際運(yùn)行的一級(jí)排氣溫度(60 ℃)。在機(jī)組出現(xiàn)巨大異響，現(xiàn)場(chǎng)人員組織停機(jī)期間，各檢測(cè)點(diǎn)均未達(dá)到機(jī)組報(bào)警停機(jī)值。因而機(jī)組的檢測(cè)參數(shù)異常報(bào)警停機(jī)作用未得到體現(xiàn)。導(dǎo)致機(jī)組在異常情況下繼續(xù)運(yùn)行，機(jī)組受損度嚴(yán)重?cái)U(kuò)大。

(4)現(xiàn)場(chǎng)值班人員缺乏機(jī)械故障診斷技能，對(duì)壓縮機(jī)初始故障未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有在第一時(shí)間采取措施，造成了故障的擴(kuò)大。從機(jī)組振動(dòng)參數(shù)變化趨勢(shì)分析，1：05，機(jī)組振動(dòng)由2.7 mm/s上升至4.22 mm/s。但由于振動(dòng)值距離報(bào)警值尚有較大差距，未能引起值班人員的高度重視。1：11至3：50之間，振動(dòng)值在4 mm/s到8 mm/s之間波動(dòng)，且異響聲較大，值班人員未采取停機(jī)措施。4點(diǎn)左右，振動(dòng)值波動(dòng)至接近10 mm/s，且異響進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)，才向公司調(diào)控中心申請(qǐng)停機(jī)。壓縮機(jī)組在異常情況下運(yùn)轉(zhuǎn)3 h，導(dǎo)致了機(jī)組故障嚴(yán)重程度的擴(kuò)大。

6 運(yùn)行管理相關(guān)建議

綜合前文所述，在此提出以下建議，以防止類(lèi)似故障的再次發(fā)生，促進(jìn)提高壓縮機(jī)運(yùn)行管理水平。

(1)加強(qiáng)基層一線(xiàn)員工專(zhuān)業(yè)技能培訓(xùn)，重點(diǎn)針對(duì)壓縮機(jī)組的巡檢要求、故障判斷等開(kāi)展專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，提高現(xiàn)場(chǎng)巡檢發(fā)現(xiàn)問(wèn)題能力以及故障判斷能力，讓巡檢過(guò)程真正有所發(fā)現(xiàn)。

(2)加強(qiáng)設(shè)備故障應(yīng)急管理，完善應(yīng)急處置措施，定期開(kāi)展應(yīng)急演練工作，提高一線(xiàn)人員在遇到設(shè)備故障后的正確決斷和快速處置能力。

(3)加強(qiáng)壓縮機(jī)維護(hù)保養(yǎng)管理，完善壓縮機(jī)維護(hù)保養(yǎng)管理規(guī)定，對(duì)維護(hù)保養(yǎng)內(nèi)容根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)行修訂，提高維修保養(yǎng)的及時(shí)性和有效性。

(4)建立定期回訪(fǎng)制度，加強(qiáng)生產(chǎn)廠(chǎng)家與用戶(hù)對(duì)接，壓縮機(jī)生產(chǎn)方和使用方定期開(kāi)展技術(shù)交流會(huì)議，共同關(guān)注，確保機(jī)組的長(zhǎng)久安全平穩(wěn)運(yùn)行。