空氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑油低聯(lián)鎖跳車原因分析及對(duì)策

張錫德，董泰斌，米吉龍，代盛，王開發(fā)

（中石油塔里木石化分公司，新疆 庫爾勒 841000）

中石油塔里木石化分公司空氣壓縮機(jī)是大化肥裝置的“五大機(jī)組”之一，其作用是為合成氨裝置二段爐提供轉(zhuǎn)化所需要的壓縮空氣，機(jī)組于2010 年5 月投入運(yùn)行，機(jī)組配備了一套完整的油站系統(tǒng)，為壓縮機(jī)和汽輪機(jī)提供所需的潤(rùn)滑油，為防止機(jī)組軸瓦因缺油而燒損，設(shè)置了潤(rùn)滑油低油壓聯(lián)鎖跳車控制邏輯，2019 年7 月空氣壓縮機(jī)因潤(rùn)滑油低油壓而兩次聯(lián)鎖跳車，不明原因跳車嚴(yán)重影響到化肥裝置運(yùn)行，對(duì)可能造成油壓突降的各種因素進(jìn)行分析排查，確定了故障來源，在無備件情況下，對(duì)損壞部件進(jìn)行自加工及替代修復(fù)，確保了機(jī)組正常運(yùn)行。

1 機(jī)組有關(guān)情況

空氣壓縮機(jī)為多軸式離心壓縮機(jī)，為6 級(jí)壓縮，由德國(guó)ATLAS COPCO 公司制造，其驅(qū)動(dòng)設(shè)備為中壓注汽凝汽式透平，由杭州汽輪機(jī)設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)。多軸空氣壓縮機(jī)型號(hào)為GT078L4K1G /GT032L2K1，其流量為58 819 Nm3/h，入口壓力為0.088 MPa，出口壓力為3.819 MPa，汽輪機(jī)型號(hào)為NK40/56，其功率為10 241 W，轉(zhuǎn)速為5 860 r/ min。

1.1 機(jī)組油系統(tǒng)

機(jī)組油系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為潤(rùn)滑油系統(tǒng)，用于機(jī)組徑向軸瓦及推力軸瓦的潤(rùn)滑及冷卻，使軸瓦建立油膜，同時(shí)將軸瓦在轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的摩擦熱帶走；另一部分為控制油系統(tǒng)，用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)及保安系統(tǒng)[1-2]見圖1，油系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)機(jī)組軸瓦安全運(yùn)行及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速精確控制至關(guān)重要，為保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，在油系統(tǒng)中采取了以下保障措施[3-4]：

圖1 機(jī)組油系統(tǒng)Fig.1 Unit oil system

（1）配置副油泵。當(dāng)主油泵出現(xiàn)故障時(shí)，可運(yùn)行副油泵，以保證油系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。

（2）設(shè)置副油泵自啟。當(dāng)潤(rùn)滑油壓力下降至0.21 MPa 時(shí)，副油泵自啟，以確保機(jī)組軸瓦有足夠的油量。

（3）設(shè)置潤(rùn)滑油低壓力聯(lián)鎖。當(dāng)潤(rùn)滑油壓力下降至0.19 MPa 時(shí)，觸發(fā)聯(lián)鎖，機(jī)組跳車。

（4）設(shè)置高位油箱。當(dāng)主油泵自停，副油泵無法自啟，即油泵無法供油時(shí)，機(jī)組連鎖停機(jī)，高位油箱給機(jī)組軸瓦供油，確保軸瓦安全。

（5）設(shè)置蓄能器。在油泵出口和控制油路安裝了蓄能器，以防止油壓瞬間波動(dòng)。

（6）設(shè)置自力式調(diào)壓閥。在油泵出口及潤(rùn)滑油路設(shè)置了自立式調(diào)壓閥，分別對(duì)油泵出口油壓及潤(rùn)滑油油壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)起到穩(wěn)定油壓的作用。

1.2 自力式調(diào)壓閥工作原理

自力式調(diào)壓閥由主閥和指揮閥組成見圖2，潤(rùn)滑油由箭頭方向流進(jìn)主閥和指揮器，入口壓力P1一路進(jìn)入主閥A 室，另一路進(jìn)入指揮器C 室，做為能源使用，出口壓力P2進(jìn)入指揮器B 室做為檢測(cè)信號(hào)，P1經(jīng)指揮器閥芯成為控制信號(hào)壓力Ps。

圖2 自力式調(diào)壓閥工作原理Fig.2 Working principle of self-operated pressure regulating valve

出口壓力P2作用在B 室的力與設(shè)定彈簧作用力相平衡時(shí)的指揮閥閥芯位置決定了主閥控制信號(hào)Ps大小[5]。

若出口壓力P2增加時(shí)，指揮器B 室作用力增加，P2＞P設(shè)定彈簧，指揮閥閥芯開度減小，作為能源使用的壓力P1經(jīng)指揮器閥芯節(jié)流阻力增加，控制信號(hào)Ps減小，該壓力進(jìn)入主閥D 室，Ps＜P1＋P主彈簧，主閥閥籠開度減小，出口壓力P2減小，直到壓力恢復(fù)到設(shè)定壓力[6-7]。

若出口壓力P2減小時(shí)，作用方向相反。

設(shè)定壓力由指揮器調(diào)節(jié)螺釘來調(diào)節(jié)彈簧力而達(dá)到。

2 油壓突降原因分析

2.1 低油壓聯(lián)鎖跳車情況

2019 年7 月1 日13: 51 因一段入口分離器B507液位高，導(dǎo)致氨壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車，進(jìn)而觸發(fā)IS-7 聯(lián)鎖（合成氣壓縮機(jī)部分聯(lián)鎖），13: 54 因水碳比低觸發(fā)IS-1 聯(lián)鎖（一段爐聯(lián)鎖），造成全裝置跳車。

事故原因經(jīng)分析及處理后，于7 月1 日15: 20 裝置進(jìn)行熱態(tài)開車，7 月2 日5: 30 裝置負(fù)荷提至40%，5: 40 空氣壓縮機(jī)開始沖轉(zhuǎn)，6: 40 機(jī)組達(dá)到正常轉(zhuǎn)速，8: 17 空氣壓縮機(jī)因潤(rùn)滑油壓力低而聯(lián)鎖跳車，經(jīng)排查，未發(fā)現(xiàn)異常，從穩(wěn)妥考慮，在油冷器及過濾器處對(duì)油路進(jìn)行排氣，將潤(rùn)滑油壓力由從0.23 MPa 提高到0.26 MPa，遠(yuǎn)離低油壓聯(lián)鎖跳車點(diǎn)，同時(shí)向油箱內(nèi)補(bǔ)充油量400 L，以提高油箱液位，增加潤(rùn)滑油泵吸入口壓力，防止油泵被抽空。

7 月2 日18: 20 空氣壓縮機(jī)再次啟動(dòng)，7 月3 日22: 50 裝置負(fù)荷提升至78%，7 月4 日4: 48: 43 空氣壓縮機(jī)因潤(rùn)滑油壓力突然降低而聯(lián)鎖跳車見圖3，裝置負(fù)荷被迫退守至40%。

圖3 機(jī)組油壓突降情況Fig.3 Sudden drop of oil pressure of unit

停機(jī)后從ESD、DCS、ITCC 中調(diào)出機(jī)組相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析，情況總結(jié)如下：

（1）事故前：汽輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速為5 860.23 r/min，潤(rùn)滑油壓力為0.258 MPa，控制油壓力為0.947 MPa。

（2）事故前：潤(rùn)滑油有一定波動(dòng)，其波動(dòng)量約為0.035 MPa，而控制油壓力波動(dòng)很小，其波動(dòng)量約為0.012 MPa。

（3）4: 48: 43 潤(rùn)滑油壓力突然下降，其值從0.258 MPa 降低至0.19 MPa，觸發(fā)油壓聯(lián)鎖，機(jī)組跳 車。

（4）潤(rùn)滑油突降1 秒后，其油壓開始上升，4: 48: 53油壓升至0.235 MPa，而后油壓基本保持穩(wěn)定。

（5）控制油壓4: 48: 43 突然下降，從0.947 MPa下降至0.918 MPa，4: 48: 44 又突升至0.977 MPa，而后油壓基本保持穩(wěn)定。

（6）潤(rùn)滑油壓先于控制油壓下降，其時(shí)間差為1 s。

（7）兩次油壓突降趨勢(shì)基本一致，都是潤(rùn)滑油壓先降，然后控制油壓再降。

（8）在兩次潤(rùn)滑油壓力突降時(shí)，副油泵都成功自啟。

2.2 原因分析

機(jī)組油壓聯(lián)鎖跳車后，為查找原因，首先進(jìn)行了副油泵自啟試驗(yàn)，此時(shí)潤(rùn)滑油壓為0.26 MPa，副油泵在自啟狀態(tài)，停主油泵，查看副油泵啟動(dòng)后潤(rùn)滑油壓力的最低值，共進(jìn)行了四次試驗(yàn)，三次成功，一次油壓降至1.42 MPa，試驗(yàn)失敗，因低油壓聯(lián)鎖值為1.9 MPa。

經(jīng)分析，引起機(jī)組潤(rùn)滑油壓力突降的原因可能來自以下幾方面：

（1）油泵出口蓄能器失效

潤(rùn)滑油管路上的蓄能器，其主要作用是一方面在油泵切換時(shí)或某些原因造成油壓突降時(shí)，利用蓄能器儲(chǔ)存的壓力油來補(bǔ)償油路上的瞬間用油，保持供油壓力恒定，消除機(jī)組在瞬間內(nèi)低油壓聯(lián)鎖跳車；另一方面利用蓄能器的儲(chǔ)能功能，在油路中衰減油壓脈動(dòng)，起穩(wěn)定油壓的作用[8-9]。一般蓄能器內(nèi)預(yù)壓力為工作壓力的60% ～ 70%[10]，因油泵出口壓力為0.12 MPa，即預(yù)壓力為0.72 ～ 0.84MPa。

首先預(yù)判油泵出口蓄能器失效導(dǎo)致低油壓聯(lián)鎖，其依據(jù)如下：

① 在事故出現(xiàn)前，潤(rùn)滑油壓力存在一定的波動(dòng)。

② 在低油壓聯(lián)鎖前副泵已自啟，但油壓未能保住。

③ 在副泵自啟試驗(yàn)中出現(xiàn)過試驗(yàn)失敗的情況。

蓄能器失效主要表現(xiàn)為蓄能器內(nèi)的預(yù)壓力過低，甚至無壓力[11]，為確定蓄能器中預(yù)壓力是否正常，將蓄能器底部進(jìn)油管線閥門關(guān)閉，打開排油導(dǎo)淋閥，將蓄能器中的潤(rùn)滑油排盡，用測(cè)壓工具進(jìn)行測(cè)壓，發(fā)現(xiàn)蓄能器內(nèi)預(yù)壓力為0.81 MPa，預(yù)壓力在指標(biāo)范圍內(nèi)，該原因可以排除。

（2）油泵出口安全閥失效

在主、副油泵出口管線上都安裝了泄壓安全閥，當(dāng)油壓過高時(shí)安全閥起跳，油泄至油箱內(nèi)，安全閥整定壓力是工作壓力的1.05 ～ 1.10 倍[12-13]，因油泵出口油壓力為1.2 MPa，其整定壓力1.26 ～ 1.32 MPa。

若安全閥失效，有可能提前泄壓，導(dǎo)致低油壓聯(lián)鎖。對(duì)安全閥出口管線觸摸，未發(fā)現(xiàn)管線有溫升，為穩(wěn)妥起見，將安全閥進(jìn)行了重新校定，經(jīng)測(cè)試起跳壓力為3.0 MPa，該原因可以排除。

（3）自力式調(diào)壓閥失效

從上述描述中可知，油路上安裝的自力式調(diào)壓閥是設(shè)定油壓及穩(wěn)定油壓的，若自力式調(diào)壓閥出現(xiàn)故障，其性能不穩(wěn)定，會(huì)造成油壓大幅度波動(dòng)，導(dǎo)致低油壓聯(lián)鎖，經(jīng)分析低油壓聯(lián)鎖是由潤(rùn)滑油調(diào)壓閥故障而引起的，其依據(jù)如下：

① 在事故發(fā)生時(shí)，潤(rùn)滑油壓力突降先于控制油壓力。

② 在事故前，潤(rùn)滑油波動(dòng)遠(yuǎn)大于控制油壓力波動(dòng)。

③ 若故障來自油泵出口調(diào)壓閥，因潤(rùn)滑油調(diào)壓閥穩(wěn)壓作用，只有油泵出口壓力大幅度下降時(shí)，才能引起潤(rùn)滑油壓力有較大的下降，這與事實(shí)不符。

為確認(rèn)故障來源，對(duì)潤(rùn)滑油調(diào)壓閥進(jìn)行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)指揮閥完好，主閥油缸嚴(yán)重磨損，活塞泛塞封損壞見圖4。

圖4 缸套及泛塞封損壞情況Fig.4 Damage of cylinder liner and flood plug seal

自力式調(diào)壓閥主閥由閥體、閥籠、閥桿、活塞、缸套、泛塞封及彈簧等組成見圖5。當(dāng)缸套磨損及活塞上的泛塞封損壞后，其密封效果下降，出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，作用在活塞上部的控制油通過活塞泛塞封漏至主閥出口，因泄壓，控制信號(hào)壓力PS突然減小，原有的平衡被打破，導(dǎo)致Ps＜P1+P主彈簧，主閥閥籠開度突然減小，出口壓力P2猛然下降，造成潤(rùn)滑油低油壓聯(lián)鎖跳車，因P2減小，會(huì)使指揮閥閥芯開度增大，PS增大，主閥開度逐漸增大，P2在逐漸回升，因缸套磨損較嚴(yán)重，盡管Ps在增大，指揮閥閥芯開度最終達(dá)到最大值，但主閥閥籠開度始終沒有達(dá)到設(shè)定開度值，所以潤(rùn)滑油壓力未恢復(fù)到事故前的0.258 MPa，而僅為0.235 MPa。

圖5 新加工缸套及活塞Fig.5 Newly machined cylinder liner and piston

當(dāng)主閥閥籠開度突然減小、潤(rùn)滑油突然下降時(shí)，因油泵出口調(diào)壓閥調(diào)節(jié)滯后原因，控制油壓力應(yīng)該有小幅上升，從圖3 可看出，控制油不但沒有上升，而且下降了0.023 MPa，結(jié)合事故前控制油也存在波動(dòng)現(xiàn)象，說明了該調(diào)壓閥也存在一定問題，當(dāng)副泵啟動(dòng)后，經(jīng)油泵出口調(diào)壓閥調(diào)壓，控制油壓力穩(wěn)定在0.977 MPa。

泛塞封是一種應(yīng)用范圍極其廣泛的密封圈，是由一個(gè)具有防腐彈簧（一般為不銹鋼）及一個(gè)類似于U 形的填充PTFE 材料制成的密封環(huán)組合而成。在系統(tǒng)壓力為零時(shí)，彈簧提供初始的預(yù)壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力提高時(shí)，U 形腔內(nèi)充滿壓力介質(zhì)而使唇邊緊貼缸壁，保證了密封在整個(gè)壓力變化過程中，始終具有良好的密封性能[14-15]。泛塞封工作極限：壓力為700 MPa，溫度為-180 ～ 300℃，線速度為20 m/s[16]。

帶骨架彈簧片的泛塞封，在運(yùn)行過程中，因聚四氟乙烯唇邊磨損后，不銹鋼彈簧片與缸套內(nèi)壁摩擦出溝槽，導(dǎo)致偶發(fā)性漏油，密封失效，當(dāng)油壓低于0.19 MPa 時(shí)，機(jī)組聯(lián)鎖跳車。

3 對(duì)策

自力式調(diào)壓閥是fisher 的產(chǎn)品，因廠商無現(xiàn)貨，從周邊廠調(diào)配一臺(tái)自力式調(diào)節(jié)閥，經(jīng)法蘭改造后安裝使用，油泵開啟后潤(rùn)滑油無壓力，經(jīng)分析、檢查，確認(rèn)調(diào)壓閥是控制上游壓力的，不適用。

（1）因無調(diào)壓閥及配件，經(jīng)分析，決定采取以下措施：

① 用304 不銹鋼加工一個(gè)整體活塞來代替分體式活塞，用O 型圈密封代替泛塞密封，其材質(zhì)為丁睛膠，使用溫度范圍為 -25 ～ 100 ℃，如圖5 所示。

② 用304 不銹鋼加工一個(gè)缸套，配合活塞上的O 型圈密封。

③ 對(duì)油泵出口調(diào)壓閥進(jìn)行檢查，因無配件，據(jù)分析，油泵出口調(diào)壓閥仍在可控范圍內(nèi)，最終未對(duì)該調(diào)壓閥進(jìn)行強(qiáng)行拆檢。

④ 提高潤(rùn)滑油壓，將潤(rùn)滑油壓力從0.23 MPa 提高至0.26 MPa。

⑤ 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從穩(wěn)妥考慮，將潤(rùn)滑油聯(lián)鎖值從0.19 MPa 改至0.17 MPa，同時(shí)將聯(lián)鎖延時(shí)從1s 改為3 s。

2019 年7 月5 日23: 30 空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)，啟動(dòng)后潤(rùn)滑油壓力波動(dòng)狀況基本消除，運(yùn)行正常，而控制油壓力仍然存在波動(dòng)現(xiàn)象見圖6。

圖6 油系統(tǒng)運(yùn)行情況Fig.6 Operation status of oil system

（2）后續(xù)工作

① 各訂購一套潤(rùn)滑油調(diào)壓閥及油泵出口調(diào)壓閥，在冬季裝置停工期間進(jìn)行更換。

② 各訂購一套調(diào)壓閥的維修包，對(duì)于潤(rùn)滑油調(diào)壓閥，其維修包中包括缸套及泛塞密封件等配件，對(duì)換下調(diào)壓閥進(jìn)行檢修，做備用。

③ 建立調(diào)壓閥維護(hù)保養(yǎng)管理制度，對(duì)調(diào)壓閥進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)，做到預(yù)防性維修，確保調(diào)壓閥完好。

④ 建立調(diào)壓閥備品備件清單，根據(jù)庫存及時(shí)采購備件。

4 結(jié)束語

空氣壓縮機(jī)因潤(rùn)滑油壓力突降，兩次觸發(fā)低油壓聯(lián)鎖跳車，對(duì)事故原因進(jìn)行分析及排查，得出以下結(jié)論：

（1）自力式調(diào)壓閥主閥泛塞密封失效是潤(rùn)滑油壓力突降、機(jī)組聯(lián)鎖跳車的根本原因。

（2）泛塞密封唇邊磨損后，不銹鋼彈簧片與缸套發(fā)生摩擦，缸套磨出溝槽，導(dǎo)致密封失效。

（3）泛塞密封漏油會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)壓力突降，主閥閥籠向關(guān)小的方向運(yùn)動(dòng)。

（4）在潤(rùn)滑油調(diào)壓閥故障后，副泵自啟對(duì)潤(rùn)滑油壓力影響不大，對(duì)油泵出口壓力略有影響。

（5）自加工缸套及O 型圈替代泛塞封能有效解決主閥缸套密封。

（6）適當(dāng)降低低油壓聯(lián)鎖值或提高油壓運(yùn)行值可有效避免低油壓聯(lián)鎖跳車。

（7）制定備品備件儲(chǔ)備定額，對(duì)自力式調(diào)壓閥定期保養(yǎng)是防止突發(fā)故障的關(guān)鍵。