盾构施工空压机典型故障分析

2022-03-06赵康峰赵云辉杨兴亚张玉锋

建筑机械化 2022年2期

赵康峰，赵云辉，杨兴亚，张玉锋

（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016 ）

空压机应用于盾构施工渣土改良、带压进仓等场所，是盾构设备的重要组成部分，空压机运行状况的好坏直接影响了盾构机施工进度。

1 空压机介绍

目前盾构设备上用的空压机多为螺杆式空压机（图1）。螺杆式空压机通过电机驱动主机转动进行空气压缩，通过喷油对压缩腔进行冷却和润滑，压缩腔内压缩空气和润滑油的混合气体经过两道分离，将压缩空气中的机油分离出来，得到相对洁净的高压空气。在使用过程中由于空压机维保与故障处理会占据较多时间，为避免影响掘进速度，盾构上通常配置有备用空压机。

图1 空压机原理

2 盾构设备中空压机典型故障

2.1 转子锈蚀

2.1.1 问题描述

2017 年8 月在大连某跨海隧道地铁项目施工中，出现了空压机无法启动的情况，经拆卸排查，发现是由于转子（图2）锈蚀导致的空压机无法启动。

图2 空压机转子

2.1.2 原因分析

引起转子锈蚀的直接原因是空压机转子中有水分。排除空压机使用了劣质润滑油等因素，空压机转子锈蚀基本上是由于冷却油乳化导致的，引起冷却油乳化的原因有以下几点。

1）油冷却器损坏，冷却油在油过滤器中与冷却水发生置换，从而导致了冷却油乳化。

2）储气罐安装位置高于空压机，储气罐进气端位于底部，且空压机与储气罐之间无单向阀，空压机停机运行时，储气罐底部的水通过最小限压阀流至空压机油分桶，水与冷却油混合导致冷却油乳化。

3）空压机排气温度低，空压机吸入的空气中附带水分难以蒸发，空气中的水分与空压机冷却油混合在一起，当冷却油中的水累积到一定程度时会导致机油乳化。引起空压机排气温度低的原因也有几个方面：①空压机加载率低，使用过程中空压机长时间卸载运行；②冷却水流量大温度低，冷却水将排气温度降低到较低值；③温控阀故障，空压机排气温度低的情况下，冷却油未经过温控阀直接进入主机工作腔，冷却油进一步被冷却，加剧了空压机排气温度低。

2.1.3 实际原因

经现场调查，引起本案例空压机转子锈蚀的主要原因是在维保时未使用空压机官方认可的冷却油。

通过对空压机历史数据分析发现，在实际应用中，部分时间段内空压机存在有加载率低的情况。加载率低也是导致冷却油乳化的原因之一。该设备配备了2 台空压机，为了防止因为空压机故障导致的设备无法掘进，2 台空压机采用一用一备设计，每台空压机都可满足极端情况下盾构最大掘进速度下的用气量需求，在实际操作过程中，盾构司机始终保持两台空压机同时运行，一般工况下，前端用气量远低于空压机排气量，因此导致了空压机加载率低。

2.1.4 应用建议

为防止空压机冷却油乳化，在应用过程中可通过以下几方面进行改善。

1）空压机与储气罐位于同一平面，或者储气罐进气口增加单向阀。

2）多台空压机同时供气时为防止空压机加载率低的情况，储气罐上增加压力传感器，设定储气罐压力范围，当压力低于某一下限值时，备用空压机自动启动运行。

3）为防止冷却油乳化，空压机设计排气温度低停机值。

2.2 空压机排气含油量高

2.2.1 问题描述

2019 年10 月，天津某工地，空压机在使用过程中频繁高温跳停，经排查是缺少冷却油导致，添加冷却油，运行24h 空压机又高温跳停，此时油气分离罐内冷却油已看不到液位，打开储气罐排水阀，发现有冷却油流出，判断是由于排气含油量高导致的冷却油流失，从而引起空压机高温跳停。

2.2.2 原因分析

引起空压机排气含油量高的原因有以下几个方面。

1）使用的冷却油不适合该空压机，或使用了劣质冷却油。

2）油气分离器滤芯破损或者油气分离器滤芯超出了更换期限仍继续使用。

3）油气分离器回油管堵塞或者回油管安装位置距离油气分离器底部较远，通过油气分离器分离出的冷却油无法进入压缩机，这部分油随着压缩空气被带出，导致空气含油量升高。

4）油气分离器型号不对，其分离能力无法满足实际需求。

5）排气压力过低，低于空压机最低允许工作压力，油分桶内气压与用气端压差较大，超过了0.8bar，由于气体膨胀通过油分离器空气流量增大，超过了油分离器处理能力。

2.2.3 实际原因

现场检查了冷却油热交换器未发现水路中有润滑油，检查了油分桶，也未发现有裂纹，排除了冷却油外漏的原因。

更换了油水分离器滤芯后，排气含油量高的问题仍然存在。

拆卸了回油管，检测发现回油管畅通，重新按照标准对回油管进行了安装，经过一系列操作后，排气含油量高的问题仍没有得到解决。

观察空压机运行时排气压力，在设备运行填充豆粒石工序时排气压力在3～4bar，低于空压机最低允许工作压力。初步判断是由于空压机排气压力低超过油气分离器的处理能力，导致的排气含油量高。

2.2.4 结论验证

为了验证由于排气压力低导致的空气含油量高的结论，通过调节系统回路中的球阀开度，人为增加回路中的负载，使空压机排气压力高于最低允许压力。通过该操作后，空压机排气含油量基本正常，因此可确定为空压机排气压力没有达到最低允许运行压力导致的空气含油量高。

空压机排气压力低的环节出现在填充豆粒石的工序，现场使用的豆粒石泵单位时间内理论耗气量在15m3/min，配置3 台额定压力8bar 产气量10Nm3/min 空压机，空压机最低允许工作压力为5bar，最小限压阀设置压力为4.5bar，空压机出口配置了2 个1m3储气罐，空压机加载压力6.5bar，卸载压力8bar，系统耗气量不高于空压机排气量的情况下，储气罐压力会稳定在6.5～8bar。系统配置上空压机能力大于实际需求，理论上不会出现排气压力低的情况。通过观察现场的操作，我们发现，设备不掘进时，司机习惯停止空压机，而运行填充豆粒石泵工序时，司机习惯先启动豆粒石泵，然后通知主控室启动空压机，豆粒石泵填充过程中，正常注入空气压力不高于2bar，排除管路损失，即系统负载约为2bar。正常操作时，运行两台空压机，在这种工况下，空压机的排气通过豆粒石输送管路进入豆粒石填充区域，在空压机产气量比耗气量大的不多时，系统的压力仅能维持在3～4bar。通过要求豆粒石操作手在启动豆粒石泵之前，确保空压机启动运行且储气罐压力不低于6.5bar 时再启动豆粒石泵，空压机排气含油量高的问题得到解决。

2.2.5 应用建议

为防止因为空压机排气压力低导致的排气含油量大的问题，可通过以下方面进行改善。

1）空压机设置排气压力低报警与停机连锁。

2）在储气罐空气出口处增加最小压力限制阀。