压缩机组故障停机分析及对策措施

2021-12-10李强

压缩机技术 2021年1期

关键词：气阀压缩机裂纹

李强

（中国石油天然气集团公司西南油气田分公司储气库管理处，重庆 401120）

1 引言

某作业区增压站5座，燃气发动机压缩机组21台，5年内压缩机组故障停机次数总计为487次，故障停机频率每天0.17～0.3次，平均一次故障停机少处理气量0.13×104m3。

2 故障停机存在严重安全隐患

2.1 焊缝断裂，天然气泄漏

泄漏情况：天然气泄漏36次，主要由增压工艺管道焊缝断裂、螺纹连接等引起。

可能产生火灾爆炸危险性，发动机火花塞点火能量大于50 mJ，点火电压1.5～2万V，完全具备点燃泄漏天然气条件，实际上点火系统漏电等故障12次，现场出现过发动机缸头漏气着火事件，尤其在降噪密闭空间，危险性进一步增加。

2.2 旋转、往复部件断裂失效

总计4次：其中风扇叶片断裂1次，压缩活塞杆断裂1次，曲轴裂纹1次等。

危险性：属重大危险，历史上出现过飞轮解体物体打击事故，死亡1人。

2.3 连接螺栓断裂

总计10次：其中动力缸与机身连接螺栓断裂5次，余隙缸1次。

危险性：属重大危险，可引发机械伤害或物体打击事故，高压天然气泄漏事故等。

2.4 控制系统失效

仪表故障61次，其中UPD电源损坏7次，雷击9次，掉电6次，传感器损坏3次，热电偶损坏5次，电磁阀失效5次。

危险性：控制失效，属重大危险。1.18事故超速飞车失控直接原因就是控制系统失效。

2.5 气阀失效

气阀故障136次，主要表现为阀片、弹簧、缓冲垫等断裂。

危险性：直接导致压缩机超温运行、活塞杆超负荷发生断裂、碎片进入气缸内导致机械撞击，引发严重事故。

3 典型故障分析

3.1 管道焊缝、表面裂纹、飞轮表面裂纹

36次管道焊缝断裂、冷却器丝堵断裂、管道安全阀连接部位断裂漏气，失效时间主要集中在30000 h以下。

压缩机组无损检测：飞轮裂纹1个，管道、弯头裂纹9处，其中产生飞轮裂纹的只运行3年。

原因分析：

（1）在设计条件下运行（压力、温度、压力脉动等），管道的应力状态不会导致焊缝出现裂纹或失效。

（2）在内压作用下，管道内壁应力大于外壁应力，不会导致管道外表面裂纹。

（3）振动产生的应力可从1 MPa到几十MPa甚至上百MPa，由振动状态决定。

（4）振动产生的应力导致外表面应力大于内壁表面。

因此，管道振动是焊缝裂纹滋生及扩展、疲劳断裂等主要因素，使管道表面产生裂纹并扩展成为可能。

飞轮裂纹产生部位均分布在轮毂筋与外轮连接处，是应力集中部位，是最容易出现裂纹及扩展失效的关键环节。

3.2 气阀故障

气阀故障136次，主要集中在2005年，通过气阀适应性改造及加强系统管理，目前气阀很少出现故障。

原因分析：

（1）气质差：过滤分离系统工艺设计缺陷及维护不当，过滤分离器的压差未进行监控，出现故障后未进行过滤分离效果跟踪检测与分析。

（2）气阀使用存在几十年“一成不变”的现象：增压初期压力高、气量大，增压后期情况发生了显著变化，气阀未作相应调整。反映出对气阀参数认识不清，气阀应用边界条件把握不准等技术管理问题。

（3）检修维护质量缺乏管理监控：如两次气阀检修间隔仅几小时。一方面没有对相关参数进行检测和控制，如弹簧弹性参数不一致，导致阀片、弹簧受力不均，运行寿命大幅度缩短；另一方面未有效建立检修质量考核体系，对频繁出现的异常检修熟视无睹。

（4）没有从系统上、管理上查找原因。

3.3 混合阀片断裂故障

共70次，最短时间时间仅2 h，远小于设计使用寿命。

原因分析：

（1）从使用寿命及混合阀片频繁断裂的情况看，属于典型的质量问题，同时反映出技术管理上存在薄弱环节。

（2）阀片断裂后未从技术参数上着手分析，导致多次出现的问题难以遏制，如2007年作业区通过对混合阀片进行参数检测，发现断裂阀片与正常阀片相比厚度上要薄0.2 mm，通过调整后混合阀片实现零断裂。

（3）配件使用缺乏技术管理，新换配件按要求通过相关参数检测合格后方可使用。检修换件环节未把好最后关口，部分不合格产品在现场继续应用。

（4）阀片频繁断裂故障信息未及时有效反馈，导致存在问题的配件未及时调整。

3.4 机械连接、传动系统部件失效

总计45次，其中轴瓦、铜套、销等断裂烧坏3次，十字头烧坏3个，活塞、活塞杆裂纹/断裂及表面损伤2次，水泵、风扇轴承损坏9次，皮带断21次，连接螺栓6次，风扇叶片1次

原因分析：

（1）润滑失效是部件烧坏的直接原因，暴露出现场安装、操作、工况调整等存在薄弱环节。

（2）低温条件下启机出现部件烧坏与操作直接相关，通过分析，在气温5℃条件下启机操作不当在2分钟内会出现十字头等烧坏事故

（3）工况调节失误，导致反向角较小会直接烧坏轴瓦等部件（整体机组制造商要求不得小于30度）

（4）间隙过小或接触面积不足，如卧南ZTY265-5#机组大修安装动力十字头间隙仅0.1 mm（要求在0.28 mm以上）。

（5）断裂皮带：平均使用寿命5186 h，最短90 h（质量原因），如卧南ZTY265-7#机组运行125 h就出现断裂，同时也反映出皮带装配过松、过紧及对中等现场操作参数控制技术管理问题，如无对中检测工具等。

（6）机械断裂：断裂风扇轴最长使用寿命90142 h；风扇叶片断时累计运行29599 h；断裂螺栓平均使用寿命36460 h，最长84198 h，最短2934 h。

反映出在剧烈振动状态下，零部件及连接件只要存在一定的应力集中和质量缺陷，如强力连接、热膨胀因素等未系统考虑，断裂是必然，时间也不会太久，碳钢在低于371 ℃下动应力不允许超过50 MPa。

在零部件安装及应力控制认识方面存在薄弱环节，现场无相关技术手段加以控制，靠经验办事，使得人为因素增多，重复断裂难以避免。

3.5 润滑系统故障

工作性能不稳定等17次，其中注油器故障6次，润滑无油流监测故障11次。

原因分析：关键部件产品质量存在问题，如润滑无油流检测开关弹簧断裂5次，振动产生松动3次，对振动环境因素考虑不足。现场对润滑油管理粗放，润滑系统发生堵塞4次。

4 对策措施

从487次故障停机中，我们感受到增压队伍在应对故障停机与生产维护中所作的艰辛努力，同时也认识到“多一次故障停机就多一份风险”，需要我们一起共同努力，积极行动，采取切实有效措施，实现“零故障停机”工作目标，切实确保增压环节“安、稳、长、满、优”运行。

（1）系统深化认识压缩机组相关技术环节，把精细化管理落到实处。

深入认识增压工艺系统技术参数内涵，增强对增压系统设计、施工、运行及维护检修等环节的控制力。

细化掌握技术参数边界条件，坚持故障查清其实质：如轴瓦等烧伤失效是质量还是装配、操作、工况调整方面的原因，是反向角就不能小于30°，究其竟，查其因，只有在通过检测分析后才会得出正确结论，也才能在故障判断、处理及防止方面形成真知灼见。

坚持系统问题系统分析：只有在日常生产技术管理工作中全面掌握设备的技术参数、技术条件和允许偏差的程度，结合历次维护保养精度检测数据，故障统计分析，运行参数分析等，才能够全面掌握增压系统的安全技术状态及性能劣化趋势。

（2）强化压缩机组定期无损检测管理，提高本质安全水平。

事实已证明，在高温、高压及振动剧烈的条件下，机组本质安全状态会出现一些显著变化，给增压站的安全生产带来的危害。排除质量原因及剧烈振动导致振动应力较大短期失效因素外，管道焊缝及表面裂纹发生在2～3年，长的达到8.7年。需要定期对压缩机组相关环节的本质安全状态进行检测。

重点监控运行压力高、振动大的机组，关键是要做好应力集中部件、高温高压管系等部件，无损检测周期宜为2～3年。

（3）切实提高压缩机组制造及配套的技术水平和质量。

加强关键零部件选型的优化分析和论证：首先解决现场故障频率高、质量性能稳定性差的零部件，如在大气环境下使用的混合阀片断裂、皮带断等问题，切实降低现场故障停机带来的风险。

系统深入分析不常见但后果严重的故障：如连杆断裂、风扇叶片断等，有效提高装置系统本质安全水平。

深化研究机组配成套技术：关键要解决振动导致的如管道焊缝断裂、冷却器丝堵断裂等的防治问题，强化机组配套系统质量控制。

开展控制系统专项调查和分析：论证相关环节的风险及防治措施，如紧急停车的可靠性、核心控制部件的现场安装条件及失效的风险等，确保控制系统要“一招致胜”。

（4）细化增压站工艺设计与布局优化控制，强化安装施工技术管理

在细化设计与优化布局方面，关键作好场站工艺设计与机组设计相结合，避免管道系统共振，场站工艺系统设计应根据压缩机固有激振频率范围及压缩介质参数，并结合管道系统固有频率范围计算确定管道设计和布局，避免管道气柱共振和机械共振。如在脉动频率14 Hz，40 ℃，天然气等熵绝热指数1.26，按照API618标准计算开闭端情况下一阶共振管长为8.4 m，则进排管道系统中相应管道长度应避开6.7～10.1 m范围，如某井口振动烈度达到2.56 mm/s（现场人眼即可看出井口摆动），频率12 Hz，与压缩机组激励频率一致，因管道系统存在共振而压缩机组冷却器振动最高达到1.326 mm（超标约10倍）。

在安装施工技术管理方面，在综合考虑管道固有频率及共振管长度、有关热应力限制条件等基础上，合理确定管道支撑布局，通过支撑调节管系刚度和固有频率，管系固有频率应控制在激振频率的1.2倍以上。