CFA34空压机排气管道燃爆事故分析与处理

2017-02-01任护国袁宗泽黄智强

设备管理与维修 2017年8期

任护国，袁宗泽，黄智强

（中国空气动力研究与发展中心技术勤务站，四川绵阳 621000）

0 引言

某高压空气站5套美国卡麦隆（CAMERON）CFA34型活塞式空压机组，前级经阿特拉斯GR200W-20型螺杆机增压至1.9 MPa，四级压缩，流量 45 m3/min，排气压力 32 MPa，2012年7月陆续投入运行。2016年8月29日，2#压缩机在运行过程中突然发生三级排气管道内部燃爆，所幸未造成其他设备损失和人员受伤情况。

1 CFA34型空压机简介

1.1 技术参数

CFA34型空压机为四列对称平衡式结构（图1），主要技术参数：排气量（入口状态）45 m3/min；气缸分布，1列（螺杆1 3/4级，3英寸/1.5英寸），2列（螺杆2 2级，3.875英寸），3列（螺杆3 3/4级，3英寸/1.5英寸），4列（螺杆4 1级，5.125英寸）1级吸气压力1.9 MPa；各级排气压力3.9/8.6/21/32 MPa；各级排气温度142/140/148/92℃；电机10 kV，355 kW，1490 r/min。

图1 CFA34压缩机机身结构

1.2 工艺流程

压缩机组由2台GR200W-20螺杆式压缩机、1台CFA34活塞式压缩机组成，单台螺杆机最大流量23.1 m3/min，最大排气压力2.05 MPa。压缩机组工艺流程：大气经螺杆机空气过滤器清除空气中的粉尘后，经两级螺杆压缩、过滤（除油）、冷却、分离（除水）进入CFA34压缩机一级气缸，压缩后经排气缓冲器、冷却器、分离器、二级进气缓冲器进入二级气缸，压缩后经排气缓冲器、冷却器、过滤器、三级进气缓冲器进入三级气缸，压缩后经排气缓冲器、冷却器、过滤器、四级进气缓冲器进入四级气缸，压缩后经排气缓冲器、冷却器、过滤器进入最终排气总管。三、四级气缸为级差式结构，中间设平衡腔，缸内的高压空气经活塞体泄漏的部分气体进入平衡腔，经缸体内部通道进入三级进气，经三级气缸再次压缩。各级排气管线均设有自动排污阀、安全阀，二级排气管线设有手动放空阀，四级排气管线设流量装置、单向阀，四级放空管线设自动放空阀、手动放空阀和消音器。

2 事故原因分析

发生燃烧必须具备3个要素：助燃物、可燃物、着火点[1]。空气压缩机运行过程中，空气中充足的氧气是助燃物，注入的润滑油是可燃物，压缩过程产生的高温是着火点。以上情况为压缩空气在管内燃烧提供了基本条件，着火部位导致局部产生高温高压，甚至可能产生爆炸的危险。

参考国内外对压缩空气在压缩机本体、输送管路、冷却器、储气罐及一些盲管和死区等部位发生燃爆事故的研究成果，普遍认为，积炭及润滑油的分解物是燃爆的根本原因，高温是引起燃爆的诱因。

2.1 事故经过

8月29日上午，2#压缩机组正常启动，各级压力、温度等技术参数未出现异常。10：49，活塞式压缩机现场控制柜声光报警器动作，2～3 s后，三级排气管道内部发生燃爆，三、四级排气管路安全阀脱落，斜向飞出5～6 m远，三级安全阀螺纹连接口处有大量火花喷出，四级安全阀螺纹连接口处有大量气流喷出，压缩机自动停车（图2）。

图2 压缩机排气管道燃爆事故现场

2.2 受损情况分析

事故发生后，及时对现场进行了封闭，检查设备受损情况如下：①三级排气管在气流的反冲下严重变形，三四级排气管安全阀接口螺纹损坏；②三、四级安全阀损坏；③三级过滤器滤芯严重烧损（图3）。

技术人员及时赶到事故现场，采用热成像仪记录了压缩机本体及管路温度分布情况，调取实时运行状态参数和故障发生实时录像，对故障现场及管路受损情况等拍照取证，送检在用润滑油，拆检三、四级气阀、气缸、活塞，检查对三、四级进排气管道、过滤器等。检查发现：①三级排气阀及管路积炭严重（图4）；②热成像温度分布显示三级排气管道局部温度较高（图5）；③从高位油箱放出的气缸及填料用润滑油果冻状凝结，颜色呈棕红色，有异味。

图3 设备受损情况

图4 积炭情况

2.3 原因分析

发生燃爆的部位在三级排气管道，管道内的沉积物主要有积炭、润滑油、灰尘等。分析认为，造成事故的主要原因是管道内积炭严重[2]。

2.3.1 积炭形成机理

在高压高温作用下，压缩机气缸内的润滑油、空气中的尘粒、活塞与缸壁磨损粉尘等会被氧化成氧化聚合物，沉积在排气管道的金属表面，形成积炭。而积炭层会蓄积热量，使温度升高，如果热量不能被及时带走或散发，就会引起局部过热，加快氧化反应，温度进一步上升。

2.3.2 积炭的危害

积炭和积炭上的润滑油蒸发和分解后，会产生裂化轻质碳化氢和游离炭，形成大量的爆炸性气体[3]，当达到临界温度时，便会发生燃烧和爆炸。当积炭厚度达到一定程度时，有自燃的危险。积炭的厚度影响自燃温度极限值，有研究数据表明，当积炭厚1 mm，自燃温度极限值160℃；积炭厚2 mm，自燃温度极限值150℃；积炭厚3 mm，自燃温度极限值115℃。

影响积炭形成的因素有压缩机的运行情况、外在环境以及润滑油的供油量、排气温度、黏度等。管道运行时间越长，积炭层厚度越大。

2.3.3 润滑油与积炭的关系

导致空压机燃烧或爆炸的燃烧物是润滑油，因此有必要对润滑油与积炭形成、产生燃爆关系进行分析。

（1）注入量。润滑过量造成不必要的润滑油进入气缸、管道，会加速积炭的形成，而加入量过小则易造成压缩机气缸润滑不足，使活塞与缸壁摩擦部位温度急剧升高，形成积炭。

（2）黏度。黏度大的润滑油密封性良好，容易形成积炭；低黏度的润滑油易挥发，容易形成雾状随气体一起带走，一般形成积炭的时间要长一些[4]。

（3）抗氧化性。润滑油的抗氧化性越高，润滑油就越稳定，越不易被裂解。

（4）水分。润滑油中的水分过多，会产生过热水蒸气，管网中的积炭会吸附过热水蒸气，散发热量，使局部温度升高。

（5）闪点。压缩机润滑油的闪点一般在190～260℃，自燃点在380～430℃，闪点的高低对燃爆影响不大，只有当温度达到自燃点时，油蒸汽才会燃烧和爆炸。

（6）温度。温度越高，润滑油氧化速度越快。

（7）压力。提高压缩空气的压力，相当于增大润滑油与空气的接触面积，可加速润滑油的氧化[5]。

压缩机组投入运行已经有4年多，从其日常检修维护资料可分析得到如下信息：2016年3月以前，压缩机的积炭较少，从进排气阀观察，在表面附着有液态油，阀腔底部有沉积的液态油水混合物；2016年2月，对5套压缩机组进行了全面维护检修，更换了新的润滑油，减小了注油量。对比燃爆发生前后润滑油的使用情况：以前的润滑油颜色呈淡蓝色，清澈透明，无异味，自然下滴呈细线状，送检运动黏度为88 mm2/s（100℃）；在用润滑油颜色呈棕红色，混浊，有异味，自然下滴呈单滴状，送检运动黏度为 51.9 mm2/s（100 ℃）。

综上所述，本次事故的主要原因与润滑油的注入量和质量有关。