盾構(gòu)施工空壓機(jī)典型故障分析

趙康峰，趙云輝，楊興亞，張玉鋒

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016 ）

空壓機(jī)應(yīng)用于盾構(gòu)施工渣土改良、帶壓進(jìn)倉(cāng)等場(chǎng)所，是盾構(gòu)設(shè)備的重要組成部分，空壓機(jī)運(yùn)行狀況的好壞直接影響了盾構(gòu)機(jī)施工進(jìn)度。

1 空壓機(jī)介紹

目前盾構(gòu)設(shè)備上用的空壓機(jī)多為螺桿式空壓機(jī)（圖1）。螺桿式空壓機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行空氣壓縮，通過(guò)噴油對(duì)壓縮腔進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，壓縮腔內(nèi)壓縮空氣和潤(rùn)滑油的混合氣體經(jīng)過(guò)兩道分離，將壓縮空氣中的機(jī)油分離出來(lái)，得到相對(duì)潔凈的高壓空氣。在使用過(guò)程中由于空壓機(jī)維保與故障處理會(huì)占據(jù)較多時(shí)間，為避免影響掘進(jìn)速度，盾構(gòu)上通常配置有備用空壓機(jī)。

圖1 空壓機(jī)原理

2 盾構(gòu)設(shè)備中空壓機(jī)典型故障

2.1 轉(zhuǎn)子銹蝕

2.1.1 問(wèn)題描述

2017 年8 月在大連某跨海隧道地鐵項(xiàng)目施工中，出現(xiàn)了空壓機(jī)無(wú)法啟動(dòng)的情況，經(jīng)拆卸排查，發(fā)現(xiàn)是由于轉(zhuǎn)子（圖2）銹蝕導(dǎo)致的空壓機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

圖2 空壓機(jī)轉(zhuǎn)子

2.1.2 原因分析

引起轉(zhuǎn)子銹蝕的直接原因是空壓機(jī)轉(zhuǎn)子中有水分。排除空壓機(jī)使用了劣質(zhì)潤(rùn)滑油等因素，空壓機(jī)轉(zhuǎn)子銹蝕基本上是由于冷卻油乳化導(dǎo)致的，引起冷卻油乳化的原因有以下幾點(diǎn)。

1）油冷卻器損壞，冷卻油在油過(guò)濾器中與冷卻水發(fā)生置換，從而導(dǎo)致了冷卻油乳化。

2）儲(chǔ)氣罐安裝位置高于空壓機(jī)，儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣端位于底部，且空壓機(jī)與儲(chǔ)氣罐之間無(wú)單向閥，空壓機(jī)停機(jī)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)氣罐底部的水通過(guò)最小限壓閥流至空壓機(jī)油分桶，水與冷卻油混合導(dǎo)致冷卻油乳化。

3）空壓機(jī)排氣溫度低，空壓機(jī)吸入的空氣中附帶水分難以蒸發(fā)，空氣中的水分與空壓機(jī)冷卻油混合在一起，當(dāng)冷卻油中的水累積到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)油乳化。引起空壓機(jī)排氣溫度低的原因也有幾個(gè)方面：①空壓機(jī)加載率低，使用過(guò)程中空壓機(jī)長(zhǎng)時(shí)間卸載運(yùn)行；②冷卻水流量大溫度低，冷卻水將排氣溫度降低到較低值；③溫控閥故障，空壓機(jī)排氣溫度低的情況下，冷卻油未經(jīng)過(guò)溫控閥直接進(jìn)入主機(jī)工作腔，冷卻油進(jìn)一步被冷卻，加劇了空壓機(jī)排氣溫度低。

2.1.3 實(shí)際原因

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，引起本案例空壓機(jī)轉(zhuǎn)子銹蝕的主要原因是在維保時(shí)未使用空壓機(jī)官方認(rèn)可的冷卻油。

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)歷史數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，部分時(shí)間段內(nèi)空壓機(jī)存在有加載率低的情況。加載率低也是導(dǎo)致冷卻油乳化的原因之一。該設(shè)備配備了2 臺(tái)空壓機(jī)，為了防止因?yàn)榭諌簷C(jī)故障導(dǎo)致的設(shè)備無(wú)法掘進(jìn)，2 臺(tái)空壓機(jī)采用一用一備設(shè)計(jì)，每臺(tái)空壓機(jī)都可滿足極端情況下盾構(gòu)最大掘進(jìn)速度下的用氣量需求，在實(shí)際操作過(guò)程中，盾構(gòu)司機(jī)始終保持兩臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行，一般工況下，前端用氣量遠(yuǎn)低于空壓機(jī)排氣量，因此導(dǎo)致了空壓機(jī)加載率低。

2.1.4 應(yīng)用建議

為防止空壓機(jī)冷卻油乳化，在應(yīng)用過(guò)程中可通過(guò)以下幾方面進(jìn)行改善。

1）空壓機(jī)與儲(chǔ)氣罐位于同一平面，或者儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣口增加單向閥。

2）多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)供氣時(shí)為防止空壓機(jī)加載率低的情況，儲(chǔ)氣罐上增加壓力傳感器，設(shè)定儲(chǔ)氣罐壓力范圍，當(dāng)壓力低于某一下限值時(shí)，備用空壓機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。

3）為防止冷卻油乳化，空壓機(jī)設(shè)計(jì)排氣溫度低停機(jī)值。

2.2 空壓機(jī)排氣含油量高

2.2.1 問(wèn)題描述

2019 年10 月，天津某工地，空壓機(jī)在使用過(guò)程中頻繁高溫跳停，經(jīng)排查是缺少冷卻油導(dǎo)致，添加冷卻油，運(yùn)行24h 空壓機(jī)又高溫跳停，此時(shí)油氣分離罐內(nèi)冷卻油已看不到液位，打開(kāi)儲(chǔ)氣罐排水閥，發(fā)現(xiàn)有冷卻油流出，判斷是由于排氣含油量高導(dǎo)致的冷卻油流失，從而引起空壓機(jī)高溫跳停。

2.2.2 原因分析

引起空壓機(jī)排氣含油量高的原因有以下幾個(gè)方面。

1）使用的冷卻油不適合該空壓機(jī)，或使用了劣質(zhì)冷卻油。

2）油氣分離器濾芯破損或者油氣分離器濾芯超出了更換期限仍繼續(xù)使用。

3）油氣分離器回油管堵塞或者回油管安裝位置距離油氣分離器底部較遠(yuǎn)，通過(guò)油氣分離器分離出的冷卻油無(wú)法進(jìn)入壓縮機(jī)，這部分油隨著壓縮空氣被帶出，導(dǎo)致空氣含油量升高。

4）油氣分離器型號(hào)不對(duì)，其分離能力無(wú)法滿足實(shí)際需求。

5）排氣壓力過(guò)低，低于空壓機(jī)最低允許工作壓力，油分桶內(nèi)氣壓與用氣端壓差較大，超過(guò)了0.8bar，由于氣體膨脹通過(guò)油分離器空氣流量增大，超過(guò)了油分離器處理能力。

2.2.3 實(shí)際原因

現(xiàn)場(chǎng)檢查了冷卻油熱交換器未發(fā)現(xiàn)水路中有潤(rùn)滑油，檢查了油分桶，也未發(fā)現(xiàn)有裂紋，排除了冷卻油外漏的原因。

更換了油水分離器濾芯后，排氣含油量高的問(wèn)題仍然存在。

拆卸了回油管，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)回油管暢通，重新按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)回油管進(jìn)行了安裝，經(jīng)過(guò)一系列操作后，排氣含油量高的問(wèn)題仍沒(méi)有得到解決。

觀察空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)排氣壓力，在設(shè)備運(yùn)行填充豆粒石工序時(shí)排氣壓力在3～4bar，低于空壓機(jī)最低允許工作壓力。初步判斷是由于空壓機(jī)排氣壓力低超過(guò)油氣分離器的處理能力，導(dǎo)致的排氣含油量高。

2.2.4 結(jié)論驗(yàn)證

為了驗(yàn)證由于排氣壓力低導(dǎo)致的空氣含油量高的結(jié)論，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)回路中的球閥開(kāi)度，人為增加回路中的負(fù)載，使空壓機(jī)排氣壓力高于最低允許壓力。通過(guò)該操作后，空壓機(jī)排氣含油量基本正常，因此可確定為空壓機(jī)排氣壓力沒(méi)有達(dá)到最低允許運(yùn)行壓力導(dǎo)致的空氣含油量高。

空壓機(jī)排氣壓力低的環(huán)節(jié)出現(xiàn)在填充豆粒石的工序，現(xiàn)場(chǎng)使用的豆粒石泵單位時(shí)間內(nèi)理論耗氣量在15m3/min，配置3 臺(tái)額定壓力8bar 產(chǎn)氣量10Nm3/min 空壓機(jī)，空壓機(jī)最低允許工作壓力為5bar，最小限壓閥設(shè)置壓力為4.5bar，空壓機(jī)出口配置了2 個(gè)1m3儲(chǔ)氣罐，空壓機(jī)加載壓力6.5bar，卸載壓力8bar，系統(tǒng)耗氣量不高于空壓機(jī)排氣量的情況下，儲(chǔ)氣罐壓力會(huì)穩(wěn)定在6.5～8bar。系統(tǒng)配置上空壓機(jī)能力大于實(shí)際需求，理論上不會(huì)出現(xiàn)排氣壓力低的情況。通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng)的操作，我們發(fā)現(xiàn)，設(shè)備不掘進(jìn)時(shí)，司機(jī)習(xí)慣停止空壓機(jī)，而運(yùn)行填充豆粒石泵工序時(shí)，司機(jī)習(xí)慣先啟動(dòng)豆粒石泵，然后通知主控室啟動(dòng)空壓機(jī)，豆粒石泵填充過(guò)程中，正常注入空氣壓力不高于2bar，排除管路損失，即系統(tǒng)負(fù)載約為2bar。正常操作時(shí)，運(yùn)行兩臺(tái)空壓機(jī)，在這種工況下，空壓機(jī)的排氣通過(guò)豆粒石輸送管路進(jìn)入豆粒石填充區(qū)域，在空壓機(jī)產(chǎn)氣量比耗氣量大的不多時(shí)，系統(tǒng)的壓力僅能維持在3～4bar。通過(guò)要求豆粒石操作手在啟動(dòng)豆粒石泵之前，確?？諌簷C(jī)啟動(dòng)運(yùn)行且儲(chǔ)氣罐壓力不低于6.5bar 時(shí)再啟動(dòng)豆粒石泵，空壓機(jī)排氣含油量高的問(wèn)題得到解決。

2.2.5 應(yīng)用建議

為防止因?yàn)榭諌簷C(jī)排氣壓力低導(dǎo)致的排氣含油量大的問(wèn)題，可通過(guò)以下方面進(jìn)行改善。

1）空壓機(jī)設(shè)置排氣壓力低報(bào)警與停機(jī)連鎖。

2）在儲(chǔ)氣罐空氣出口處增加最小壓力限制閥。

2.3 其他故障

空壓機(jī)在運(yùn)行過(guò)程也會(huì)出現(xiàn)類似機(jī)組無(wú)法啟動(dòng)、啟動(dòng)電流大、噪音升高、風(fēng)扇電機(jī)過(guò)載等問(wèn)題，這些問(wèn)題的產(chǎn)生大部分是由于空壓機(jī)維保、元件老化或損壞失效等情況所造成，與空壓機(jī)選型及盾構(gòu)操作流程無(wú)關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

空壓機(jī)作為盾構(gòu)設(shè)備上關(guān)鍵元器件，其運(yùn)行效果直接影響了盾構(gòu)掘進(jìn)速度，本文介紹了空壓機(jī)原理以及盾構(gòu)施工過(guò)程中兩起由于操作流程引起的空壓機(jī)故障的典型案例，為空壓機(jī)在盾構(gòu)設(shè)備的應(yīng)用與選型提供了依據(jù)。