地下储气库压缩机气缸余隙调节装置故障处理及分析

李治发

(中石化天然气分公司，贵州 贵阳 550009)

1 地下储气库压缩机组简介及故障发现过程概况

1.1 地下储气库简介

某地下储气库为枯竭型气藏储气库，设计库容5.88×108m3，垫底气2.93×108m3，工作气量2.95×108m3，设计上限压力27.0 MPa，下限压力13V0 MPa。气库设计有3台往复压缩机，日注气量可达200×104m3/d。其中某台机组运行7075 h时出现气缸余隙调节装置余隙活塞脱落，气缸出现撞缸导致活塞、气缸缸套严重损坏故障。

2.2 故障压缩机组简介

压缩机组采用电驱往复压缩机，型号为4RDSA-2/YB710-6，设计进气压力6.0 MPa，额定排气压力23.5 MPa，排气量62万m3/d。电机型号为YB710-6-1500 kW，额定电压6000 V，额定电流177 A，额定功率1500 kW，额定转速994 r/min。压缩机采用两级压缩，四列对称平衡型结构，每级2个气缸，一级气缸直径5.75，二级气缸直径4.5，行程5.5。机组共有4个气缸，编号按曲拐顺序编号，依次为1#、2#、3#、4#气缸，其中1#和3#气缸是二级气缸，2#和4#气缸是一级气缸。一级气缸(2#和4#气缸)设置有气缸余隙调节装置，俗称气缸余隙头，用来调节余隙容积以调节机组排气量，其结构如图1所示。

图1 压缩机振动值变化

2.3 故障发现过程概况

某日凌晨3点，运行值班人员值班巡检发现压缩机振动值偏大，机组有异响，振动值未达到设定报警停机值，机组未停机。3：45，机组异响扩大，值班人员向值班干部汇报机组出现巨大异响。4：15值班干部向公司调控中心申请故障停机，4：20调控中心同意后手动停机。8：05压缩机维保单位开始对机组进行放空拆卸检查。

2 压缩机故障检查及原因分析

机组故障发生时，主要现象为机组四号气缸(一级气缸)出现异响。机组振动值偏大，但未达到停机报警值，未触发机组振动报警。停机前后，四号气缸排气温度变化明显变化，盘根温度显著上升。从SCADA系统查看机组测点信息，机组振动值变化情况如图1所示。压缩机四号气缸排气温度及盘根温度变化如图2和3所示。

图2 四号缸排气温度变化

图3 四号填料温度变化

在对存在异响的四号气缸进行拆卸后，发现气缸余隙活塞碎裂、余隙缸断裂。在对压缩活塞拆卸后，发现该气缸活塞端部损伤，活塞环、支撑环破损，缸套明显磨损。在对机组其他气缸进行进一步检查后，发现二号气缸，也存在缸套磨损、活塞环损坏问题。

根据以上检查内容，结合机组振动、温度数据进行分析，机组故障原因如下：

(1)四号气缸余隙活塞O形圈在高温、高压环境下发生了老化，造成密封失效，高压气体进入余隙缸后端，由于余隙活塞和余隙杆之间有间隙，使得吸排气过程中气体压力的脉动导致余隙活塞发生轴向串动，余隙活塞来回撞击余隙杆。如图1所示，余隙活塞与余隙杆连接方式为T型头连接，此T型头设计在余隙活塞来回撞击的情况下容易出现断裂而产生事故。因此造成凌晨1：05左右余隙杆T型头位置断裂，余隙活塞脱落。

(2)余隙活塞脱落后，在余隙气缸、残余余隙杆所形成的空隙内不断与余隙杆、余隙气缸发生撞击。撞击过程不断冲击余隙气缸缸头位置，造成缸头疲劳破坏，进而发生余隙气缸缸头断裂脱落。缸头与余隙活塞一同进入工作气缸。

(3)余隙气缸缸头、余隙活塞碎片进入气缸工作腔产生撞缸现象，并造成活塞、活塞环、支撑环以及缸套严重损坏。

(4)由于缸套磨损过程中产生大量热量，气缸温度升高。停机后，排气缓冲罐气体不再流动，填料冷却水停止循环，气缸热量向缓冲罐与填料扩散，造成如图2、3所示的排气温度、填料温度的变化。但停机前，排气温度约60 ℃，填料温度约53 ℃，远小于排气温度和填料温度报警值126 ℃。

3 压缩机系统性检测情况

除对现场损坏部件的情况进行检查外，对机组的其它部件也进行了检查，以弄清楚机组受损严重程度。

(1)检查各列主轴瓦、连杆瓦间隙，其值在正常范围内，满足要求。各列十字头瓦与滑道上、下间隙，其值在正常范围内，满足要求；

(2)拆除发生问题列连杆部件，检查连杆大头瓦及小头衬套，满足使用要求，检查曲轴挠度，其值为0.006 mm，小于规定值0.025 mm；

(3)检查各列气缸缸套的磨损情况，一号、三号气缸缸套正常，四号缸缸套磨损严重，二号缸缸套局部磨损，需进行返厂维修；

(4)二号缸余隙活塞与余隙杆的配合间隙在正常范围内(此余隙活塞虽未损坏，仍准备更换为改进型)；

(5)拆检的气阀阀座密封面有少许损伤，可修复使用；

通过对检查数据的分析，机组基础件机体、曲轴、连杆、十字头部件正常，可以安全使用，四号、二号气缸缸套需进行更换，2个活塞部件返厂做进一步探伤检查。

4 机组修复情况

根据机组受损及相关检测情况，制定修复方案。

(1)更换以下配件：包括一级余隙缸部件2套、一级气缸缸套2个、4号缸活塞、一级气阀阀片3套、一级活塞环及支撑环2套。具体数量及进度安排如表1。

表1 配件修理计划表

其中，由于余隙活塞组件在设计上的固有缺陷，压缩机厂家已停用了T型头连接安装方式，此次返厂更换形式为改进型，杜绝了后期余隙活塞脱落的风险。

(2)二号和四号2个一级气缸返厂进一步检测，更换缸套，更换四号缸活塞，检查活塞杆的形位公差，无损探伤检查是否有裂纹，根据检测结果决定是否更换。

(3)更换机组所有气阀、填料环、活塞环、支承环、O形圈等易损件。

(4)机组恢复安装，按机组出厂的标准及规范要求进行详细检查、试验。

(5)结合实际工况调整机组振动、温度的报警停机值，确保机组自控系统能起保护作用。

通过压缩机厂家的密切配合，及时生产加工气缸缸套、活塞等部件，我们在故障后的35 d内完成了机组的修复工作，机组恢复运行。

5 压缩机管理原因分析

(1)气缸余隙头设计不合理，余隙活塞与余隙杆采用T型头连接，两者有间隙存在，且强度及抗疲劳性均不足，设计存在安全隐患。压缩机厂家既然已经升级改进了气缸余隙头的设计制造，却没有对前期生产的设备的使用单位进行告知更换，抱有一定的侥幸心理，这从根源上决定了本次故障的可能性存在。余隙活塞与余隙杆采用螺纹连接，两者无间隙，杜绝了余隙活塞来回撞击余隙杆的可能性。

(2)机组维护保养工作有缺项，该机组在出现故障时距生产时间已有4年时间，机组已运行了7075 h，通过检查前期各级保养工作报告发现，在机组前期运行的各级维保中均未对气缸余隙头进行检查，余隙活塞O型圈老化未曾发现，更未曾更换。如前所述，余隙活塞O型圈老化是导致后面一系列故障的直接原因。结构设计的不合理加上维保工作的缺失，直接造成了本次故障的出现。

(3)压缩机出厂设定的报警值、连锁停机值偏大，设置不合理，机组报警未起作用。由于机组振动值报警值为10 mm/s，停机值为14 mm/s，高于机组异常运行期间4 mm/s到8 mm/s的波动值，四号缸排气温度和填料温度报警值均为126 ℃，停机值为132 ℃，远高于实际运行的一级排气温度(60 ℃)。在机组出现巨大异响，现场人员组织停机期间，各检测点均未达到机组报警停机值。因而机组的检测参数异常报警停机作用未得到体现。导致机组在异常情况下继续运行，机组受损度严重扩大。

(4)现场值班人员缺乏机械故障诊断技能，对压缩机初始故障未能及时发现，没有在第一时间采取措施，造成了故障的扩大。从机组振动参数变化趋势分析，1：05，机组振动由2.7 mm/s上升至4.22 mm/s。但由于振动值距离报警值尚有较大差距，未能引起值班人员的高度重视。1：11至3：50之间，振动值在4 mm/s到8 mm/s之间波动，且异响声较大，值班人员未采取停机措施。4点左右，振动值波动至接近10 mm/s，且异响进一步增强时，才向公司调控中心申请停机。压缩机组在异常情况下运转3 h，导致了机组故障严重程度的扩大。

6 运行管理相关建议

综合前文所述，在此提出以下建议，以防止类似故障的再次发生，促进提高压缩机运行管理水平。

(1)加强基层一线员工专业技能培训，重点针对压缩机组的巡检要求、故障判断等开展专业培训，提高现场巡检发现问题能力以及故障判断能力，让巡检过程真正有所发现。

(2)加强设备故障应急管理，完善应急处置措施，定期开展应急演练工作，提高一线人员在遇到设备故障后的正确决断和快速处置能力。

(3)加强压缩机维护保养管理，完善压缩机维护保养管理规定，对维护保养内容根据机组实际情况进行修订，提高维修保养的及时性和有效性。

(4)建立定期回访制度，加强生产厂家与用户对接，压缩机生产方和使用方定期开展技术交流会议，共同关注，确保机组的长久安全平稳运行。