某船用中压空压机积碳、滑油乳化原因分析与改进措施

唐 鑫，张 燚

（1. 海军装备部驻芜湖地区军事代表室，安徽芜湖 241000；2. 海军装备部驻杭州地区军事代表室，杭州 310000）

0 引言

压缩机[1]各段输入气体经压缩、升温、排放后再通过净化设备，同时也将少量的氧化铁、油雾、润滑油因高温裂解析出的炭和金属细小颗粒等夹带到气体中，与气体中原来带入的灰尘混合形成压缩机系统分散度很高的导电性粉尘，粘附在压缩机各段出入管道、气阀壁、活塞体工作面，也会粘附在压缩机冷却器等辅助设备上，形成压缩机系统中的积碳现象。

积碳对于压缩机来说具有毁灭性的伤害，若积碳[2]进入部件十分精密的主机，必然会对主机造成损伤，导致主机抱死甚至报废。当压缩机在排气阀及排气管道处产生较多的积碳时，排气阀就会动作不灵敏或者关闭不严，造成排出去的气体倒流气缸并重复压缩（即二次压缩），使气体温度迅速上升，高的气体温度又加剧了润滑油的氧化反应，而反应热又不能及时排除，使得排气管道内气体温度继续升温，当温度达到润滑油的燃点或闪点时引发爆炸。

1 现象描述

某型中压空压机，为V型、单列、单作用、两级压缩、水冷（冷却器内置于气缸体内）空压机组，主要用于船舶中压供气；三相交流电，功率37 kW，电压380 V/50 Hz；公称容积流量为150 m3/h，额定排气压力为3 MPa，额定转速为1 480 r/min，冷却水量设计为≥30 L/min，采用100号压缩机油，注油量为11 L, 油耗为≤80 g/h；油压设定值为0.1～0.4 MPa，两级气阀均为组合阀，仅2级设有油水分离器。

该型空压机样机试制时，在完成1 000 h（环境温度25 ℃）可靠性试验后，拆检时发现各级气阀、气缸盖、气缸侧板等与压缩高温气体接触的零件都有较为严重的积碳现象，且气缸内水腔表面与冷却器外表面积泥严重，如图1～图3所示。

图1 一级、二级气阀

图2 气缸盖与侧板积碳现象

图3 气缸与冷却器积碳现象

2 原因分析

2.1 压比过高

压缩机的压缩比是活塞在下止点时的体积和活塞在上止点时的体积比，一般以出口压力除以进气压得到。在设计阶段首先考虑的就是压力比的分配问题，在出口压力一定且压缩级数较低的情况下通常采用等压比分配的原则，其次在变工况的条件下可适当对其进行调整，可将中间级压比适当进行提高避免因末级压比过高而导致排气温度过高。本机型为二级压缩，采用等压比分配。

压比[3]与温度的关系为T2=T1ε(n-1/n)，二级压比过高会使得排气温度急剧升高，使油雾达到碳化的条件，粘结在管道、气阀壁、活塞体工作面等。从图1上看出二级的积碳现象也是比一级明显得多。

2.2 油压过高（注油量）

本型空压机采用内置齿轮油泵将压缩机油从曲轴箱直接经过油过滤器吸入，输给曲轴轴承、连杆大头等润滑部位。油压过低会导致润滑不足使各运动件摩擦磨损严重。因此设计时一般采取一定的低压保护装置，但是很少有高压保护装置，本机型没有超压保护。

油压过高直接导致油注入量过多，如果这些油不能及时地流走，滞留在各润滑部位，失去了带走摩擦热的功能，就会使得这些部位冷却效果下降，温度上升，导致高温油雾集结。加上油雾的大量存在，使得形成积碳的概率增高。

2.3 润滑油质量不好

压缩机各摩擦表面处除采用自润滑材料外还需进行外在润滑，液体润滑不仅能润滑摩擦副表面，减少摩擦和磨损，而且还能对摩擦表面进行清洗和冷却。一个适合的压缩机油不仅要有足够的黏度，同时还要考虑到其具有油性、闪点燃点和氧化性等性质，本机采用100号压缩机油。

润滑油如果质量不好，不仅不能起到清洗和冷却的作用，而且还有可能增大磨损。润滑油中若是含有大量杂质，杂质在高温高压的条件下相互融合形成分散度很高的导电性粉尘，粘性很大不易流走，会粘附在管道、气阀、活塞壁等地，不仅失去了润滑效果，而且还会加剧摩擦磨损导致温度升高，随着不断积累形成积碳。

2.4 冷却不足

此款压缩机冷却器部件与气缸体部件为组合一体式，整个部件内部结构比较复杂。气缸体内部设有多层缸壁，配置压缩空气通道和冷却水通道。冷却器上的U形冷却管胀接在冷却器板上，整个管组浸没在气缸体冷却水腔。冷却器进、出气口在气缸同一侧，要求冷却器板具有足够的强度和良好的胀接工艺性。气缸部件结构，如图6所示。

图6 气缸的设计图与实物图

此机型冷却水既可以是海水也可以是淡水。

冷却水量直接影响冷却效果，如果排量不足，那么将会导致二级进气温度过高，根据T2=T1ε(n-1/n)，得出二级排气温度和气缸壁温度急剧上升，达到油雾积碳的温度，从图中我们也可以看出二级阀片和阀盖都有严重的积碳现象。

2.5 气体含油量过高

压缩机油从曲轴箱中通过飞溅润滑进入到活塞外壁，少量油再以油雾或者油分子的形式进入到压缩腔与空气混合，一起压缩、排放，然后进入气阀、空气管道等部位。

经过压缩后的气体温度很高，与雾状或者分子状压缩机油混合，相互接触面很大，加大了传热面积，大量的热量直接传递给了雾状油和分子油，加快了油雾碳化，使之附注在活塞顶部、气阀和空气管道内壁等部位上，大大加剧了积碳的形成。

3 处理措施

因可能产生积碳的因素太多，故采用控制变量法[4]进行试验。

3.1 调节压力比

根据上述原因，查资料得出此款机型的一级气缸直径为195 mm，二级气缸的直径为88 mm，一级压比为5，二级压比为6。现根据已有条件进行优化改进，重新进行热动力计算将一级压比调为6，二级压比调为5。一级气缸直径变为200 mm，二级气缸直径变为80 mm，改换原先电机达到设计排量，其他设计理念不变。进行1 000 h耐久性试验观察各零部件积碳情况[5]。

3.2 降低油压和注油量试验

此款机型的设计油压额定值为0.1～0.4 MPa，有低压保护，当润滑油压力≤0.06 MPa时报警停机。在此基础上，通过调节油压调节阀和油压卸荷阀，适当地降低油压，并设置了高压保护装置，当油压超过0.4 MPa时报警，并保证其他设计理念不变，进行1 000 h耐久性试验观察各零部件积碳情况。

3.3 更换润滑油试验

100号压缩机油是很多通用压缩机使用的压缩机油，在40 ℃时其黏度为100 mm2/s，我们已经及时更换新油以避免压缩机在受污染后依旧在新使用状态下出现上述积碳现象。此外还使用了质量较好的DAB150号油来替代原来的100号压缩机油，对其他条件不作任何改变，进行1 000 h耐久性试验观察各零部件积碳情况。

3.4 增强冷却水量试验

此款机型在冷却水进口处设置了一个进水阀和一个过滤器，保证了水的质量，为了增大冷却水阀的进水压力和排量，更换了一个更大功率的供水系统。此外还增大了一些接头的通径，以增大流通面积，其次本次试验以淡水为主，另外还将冷却器管组材料换成了传热性能更好的紫铜管，使得冷却效果更好，进行1 000 h耐久性试验观察各零部件积碳情况。

3.5 降低气体含油量试验

此款机型仅在二级设有油水分离器，一级通过在排气口处设计一个凸起的部分实现油水分离并储存，通过电磁阀定期排放，油水分离效果不明显。在原来的基础上去除了原先的凸起部分，增设一级油水分离器，来降低气体含油量。仅作此优化处理，其他设计理念不变，进行1 000 h耐久性试验观察各零部件积碳情况。

4 试验验证结果

上述试验除第1个周期较长，其他4个试验可同时进行，从后4个进行了1 000 h耐久性试验的效果来看，除了第5个试验效果突出外，其他3个试验中积碳现象依然存在。在生产完成后对第1个试验进行验证后发现，现象有所改善，但是仍然存在少量积碳。

5 结论

通过上述试验和结论得出：导致此款机型产生大量积碳的原因是在1级排气管后没有增设油水分离器，从而使得气体含油量过高造成积碳形成率增大。该结论仅仅适用于此机型，若其他机型也出现类似情况，可以在分析、验证后确认是否也是由于相同原因从而导致该现象，但具体是何原因仍需要具体对待。“实践是检验真理的唯一标准”，只有强有力的试验结果才能得出有说服力的结论，从设计方面也得到了宝贵的经验和教训，只有不断的从问题中进行探索和研究，才能更上一层楼。