突发停电造成螺杆压缩机故障的原因分析

李文江

（中盐安徽红四方股份有限公司，安徽 合肥 230022）

中盐安徽红四方股份有限公司在合肥循环经济示范园，投建了30万t／a的纯碱项目，自2013年元月起，投产至正常运行有近一年的时间了。在纯碱生产中，抽送来自合成氨系统脱碳气（主要成分CO2占99.35%）至碳化塔用于碳化反应的压缩机，是关键性的传动设备。考虑到节能降耗，现在多选用螺杆压缩机。我公司采用的2台脱碳气螺杆压缩机是上海大隆机器有限公司生产的，为JLD40I－SM机型。

1 螺杆压缩机性能参数

型号 LG－185／1.2～3.8

入口流量 185m3／min

进气压力 0.12MPa（G）

进气温度 40℃

排气温度 ≤120℃

压缩机转速 4 138r／min

轴功率 954kW

电机功率 1 120kW

驱动方式 电机—齿轮增速箱—压缩机

装配间隙数据：碳环密封对应φ170轴颈处的间隙0.1～0.145mm；径向轴承对应φ115轴颈处的间隙0.12～0.157mm；内、外推力轴承动静环耦合面间隙合计0.12～0.14mm；排气端螺杆转子端面与前端盖之间的间隙0.15～0.21mm；同步齿轮啮合侧隙0.03～0.06mm。

2 事故缘由

2013年8月19日，由于供电公司因突发故障停电，造成了一台正在运行的脱碳气螺杆压缩机（1＃机）事后不能正常开启，出现盘车“卡死”现象。PLC系统中也无法查出任何异常。

鉴于以上情况，将叠片式联轴器脱开。通过检查，增速箱和高压电机完好，只是压缩机盘不动。压缩机解体后发现，主要零部件损坏：

1）阴转子上防反转薄齿轮啮合面有压痕轻微，阳转子上的主齿轮完好；

2）缸体内表面有不同程度磨损和明显的划痕，磨损严重处磨损层厚度为0.02～0.06mm，局部有碰伤且高温变色；

3）阴阳螺杆转子端面磨损0.03～0.07mm，密封槽有损伤；

4）与阴阳转子端面耦合的前端盖面有磨损，磨损0.01～0.05mm；

5）阴阳螺杆外圆及螺旋面有不同程度损伤，局部有“咬合”伤痕；

6）另外，阴阳转子前端轴颈与轴瓦配合处，轴颈磨损0.03～0.05mm；前端两轴瓦内孔面磨损0.08～0.16mm。阴阳转子后端轴颈与轴瓦配合处，轴颈磨损0.01～0.03mm；后端两轴瓦内孔面磨损0.03～0.5mm；

7）机体前端气封碳环内孔超差0.03～0.08mm。

3 原因分析

3.1 对事故油箱油位的判断

突发性事故停电，供油站油泵停止工作，机组各润滑点的润滑依赖于事故油箱。事故油箱里的油由于高位落差，主要通过单向阀流向电机两主轴瓦、增速箱和主机油分配器。经过主机油分配器的油至压速机齿轮对、前后径向支撑轴承和主、副推力轴承。各润滑点的油，最后通过回油总管至油箱。

事故油箱设置高度比最高润滑点高5.8m，容积有0.6m3，其中的32＃汽轮机油全部流完需2分多钟的时间，断电时主机惯性停下来的时间大约需90秒左右，所以事故油箱里的油从设计的角度看，是足够用的。

停电前，设备一直不间断运行多日。事故后，对由油站油箱至事故油箱的孔板及其管路进行检查，没有发现异物、油泥等堵塞情况，说明停电前事故油箱里的油，一直保持高液位并溢流着。

3.2 对局部油路设计特性的分析

断电时高位油箱里的油，经分配器通过径向轴承座油孔送至径向轴承内瓦面和内、外推力轴承动静环耦合面润滑。其中径向轴承座油孔至外推力轴承的油路，是按有利于通畅进油供给的旋向设计的。另一方面，外推力轴承静环面上，为了方便油进入耦合面，在每一个块面上用刮刀修有楔面，楔面也是有方向的。

因此，综合局部油路设计的方向性和外推力轴承静环块面上楔面的方向性，压缩机反转是具有很大的破坏性。

3.3 对防反转配置的检查

1）压缩机自身保护配置

压缩机正常运转时，阳转子上的主齿轮和阴转子上的从动主齿轮啮合。当压缩机因异常反转时，阳转子上的主齿轮和阴转子上的副从动薄齿轮啮合，以保护阳转子上的主齿轮和阴转子上从动主齿轮在正常运行状态下的啮合精度，确保压缩机良好的技术装配状态不被破坏。从事后拆检的情况看，不是事故的起因。

2）防反转工艺配置设计

①闭路循环的旁路配置：在压缩机进出口设有旁路。旁路阀为自控阀，通过PLC系统控制。正常生产时，可通过旁路阀调节压缩机的出口压力，从而保证压缩机稳定运行。当遇到断电时，PLC系统设置的旁路阀会自动打开，让脱碳气通过压缩机进出口形成循环，以防压缩机反转。通过检查，PLC上显示，旁路阀为断电“手动”打开。

②压缩机出口设置单向阀：在压缩机的出口，有稳流器、消声器。消声器的出口设有单向阀，能防止突发停电事故发生时，排出的脱碳气不发生倒流，确保压缩机不反转。事故发生后，拆检单向阀发现，单向阀已生锈和结垢，失去了灵敏度。

3.4 对密封效果的判断

压缩机的油封有四处，均为充N2气的碳环密封。碳环处的轴颈直径为φ170，轴颈与碳环的正常间隙为0.10～0.145mm，一处间隙的径向最大截面积为77.46mm2，四处间隙的径向最大截面积为309.87mm2。事故油箱进油总管为φ57×3.5，截面积为1 962.5mm2。这样看来，四处间隙的径向最大截面积与事故油箱进油总管截面积之比为1∶6.33，即使密封处泄漏，泄漏量都是不大的，更何况，油是有粘度的和稠度的，碳环密封与轴颈的间隙极易形成油膜，且停电时螺杆反转，此时的润滑油只是具有5.8m高的油压，故压缩机停电反转时，碳环密封漏油是很少的，反转起初不会对压缩机构成破坏性事故。

3.5 对油路是否存在堵塞的判断

通过拆检、吹扫，所有的油路管道无油垢，也无杂物堵塞。

3.6 对润滑油是否存在问题的判断

压缩机运行有7个多月，起初使用的32＃汽轮机油在2013年3月更换过一次。更换用的油至事故发生，使用有近4个月的时间（其实32＃汽轮机油通常情况下可以两至三年更换一次）。事故发生后，查看供油站油箱的液位，基本和前几日没有发生变化，维持在试镜刻度线上下2mm，说明油冷器没有发生泄漏，油里没有进水。油站的一、二级过滤较好，油里的杂质成分几乎很少很少。油外观透明，起泡也不多。这些情况说明，润滑油本身不是造成事故的原因，而且其它压缩机用的都是同一批进货的合格润滑油（L－TSA32）。

4 原因定论

PLC系统显示，压缩机事故前运行的各项性能参数，如径向轴瓦温度、内外推力轴承温度、压缩机进出口压力、油温、油压等，都在指标范围内。检查发现，PLC系统将压缩机旁路阀先前设定为断电瞬时100%开启，被人为修改设定为“手动”操作，违反了当初设计时的缜密考虑。当外网供电系统突发性故障停电时，手动打开旁路阀从时间上看几乎不可能（操作室在二楼，旁路阀在一楼），此时，恰逢单向阀失灵，不能因阀前脱碳气压力而立即关闭，于是大量的脱碳气倒流至压缩机，致使阴阳螺杆转子反转。

考虑到至外推力轴承的油路设计和外推力轴承静环块面上油楔具有方向性，反转致使静环面上的巴氏合金很快缺油而烧坏甚至部分脱落。不断反转的阴阳转子，因为外推力轴承耦合面的摩擦力，产生或大或小的径向力，应该说这种径向力要比正常运行时产生的径向力大上好多倍，而且此时的油压为5.8m高油压，正常运行时的供油总管压力≥0.3 MPa左右，到各润滑点的压力有2.5MPa左右。反转时螺杆轴颈不断敲击、挤压径向轴承，导致阴阳阳转子前端两个径向轴承严重磨损，后端两个径向轴承不同程度磨损。由于前径向轴承的严重磨损超差，造成阴阳螺杆咬合、碰撞，与此同时撞击摩擦缸体的内表面，又造成缸体内表面的磨损和划痕。继而压缩机轴向平衡已破坏，阴阳螺杆的端面（含密封槽）和压缩机前后端盖（含密封槽）产生接触、碰撞、磨损。就这样，形成一系列连锁性损坏事故。

综上所述，如果压缩机旁路阀完好，且出口单项阀也完好，遇到突发故障停电的话，阴阳螺杆就不会反转而造成类似事故的发生。

5 防范措施

1）在PLC系统中，将压缩机旁路阀重新设定为断电瞬时100%开启。

2）利用停机时间，特别有计划地检修和维护旁路单向阀，确保单向阀的灵敏度。

3）可以在压缩机出口就近的地方，加一放空管，阀门用断电即开的自控阀。以防止前两条措施不到位而发生的类似事故。