英格索兰空气压缩机频繁跳车原因探析

孙武(中国石化海南炼油化工有限公司，海南 儋州 578101 )

0 引言

英格索兰空气压缩机属于离心压缩机，相比于其他种类的压缩机而言，离心压缩机的应用成本较低，且操作简单、维修难度较低，故而在国内工业领域、石化产业均得到了良好的发展。但由于我国离心压缩机的研究设计和生产起步较晚，因此在产品运行的过程中经常存在跳车问题。为此本文针对英格索兰空气压缩机频繁跳车的问题展开了探讨，目的是解决这一重要的设备缺陷，利于化工生产的安全与稳定。

1 空气压缩机概述

空气压缩机是一种压缩空气的工具，空气经过压缩后，其空气压强会增加，从而获取压力，用于相关设备的运转。空气压缩机在电力能源的驱动下开始运转，随后将电力能源转化为机械能，利用机械能生产压力，形成空气的内能。就目前情况而言，随着空气压缩机设备的发展与引用，其在我国钢铁、石油、化工和医疗等诸多领域得到了普及和应用。

在石油化工领域中，空气压缩机的主要应用于合成、提纯与充气当中，然而在实际使用过程中，由于石油化工领域生产加工产品大部分需要在高压、高温的环境下进行，且工作环境较为复杂，其中还存在酸性气体、酸性物质等容易导致空气压缩机受到腐蚀而损坏，从而导致空气压缩机的使用性能大幅度降低，极有可能存在气体纯度降低、充气不足等问题，致使空气压缩机出现跳车问题，致使空气压缩机的使用寿命受到严重的影响，甚至有可能引发气体泄漏等重大事故，对企业的经济效益及社会效益都将产生严重的损失，因此做好空气压缩机的故障处理是十分重要的。

2 工程概况

为了更好地分析英格索兰空气压缩机频繁跳车原因，选择以国内某石化企业为例，该企业于2006年引进5台英格索兰离心式空气压缩机，型号为C80M*3。该空气压缩机在使用的过程中，存在联锁跳车故障，影响企业的生产进度，同时也对英格索兰空气压缩机本身的使用寿命带来不利的影响[1]。为此，企业技术人员开展了对英格索兰空气压缩机频繁跳车原因的分析。

3 英格索兰空气压缩机工作原理及特点分析

3.1 英格索兰空气压缩机的优势

该企业引进的英格索兰空气压缩机的控制系统采用的是微电脑控制，这使得该英格索兰空气压缩机有以下三个方面的主要优势：

第一，英格索兰空气压缩机通过微电脑控制能够实现英格索兰空气压缩机的相关参数值，包括压力值、温度值等。

第二，利用微电脑实现人机交互，工作人员可在计算机输入运行指令，启动英格索兰空气压缩机运转，同时通过检测运行指令的执行状况也能够掌握英格索兰空气压缩机的运行状况[1]。

第三，英格索兰空气压缩机具备监控功能，当英格索兰空气压缩机出现运行故障时，系统会自动发出预警并紧急停止英格索兰空气压缩机的运转，避免英格索兰空气压缩机出现进一步的损伤。

3.2 英格索兰空气压缩机工作原理分析

通过上文分析可知，该企业采用的英格索兰空气压缩机为离心式压缩机，而离心压缩机在运行的过程中，是利用叶轮旋转产生离心力作用增加气体压力的旋转机械能。当英格索兰空气压缩机运转后，压缩机内的叶轮开始旋转，且旋转速度越来越快，而此时叶轮的旋转将对空气产生离心力，空气运动、流向便是叶轮的旋转方向，伴随着叶轮的转速增加，离心力也会增加，通过与叶轮相配合的扩压器，将速度能转换成压力能，气体压力变大，空气被挤压到管道中，形成压缩空气。

空气压缩机的主要结构包括转子组件、滑动轴承、扩压器、级间冷却器、壳体等。叶轮是离心式空气压缩机机械能生产的主要来源，是空气压缩机的核心部位，装在转子轴上，并用高强度螺栓固定。当空气压缩机启动后，电力能源通过联轴器转化对压缩机的机械性能，压缩机转子转动，通过叶轮，将机械能转化为空气的速度能，再通过叶轮扩压器，将速度能转化为压力能，最终通过PLC控制系统，输出让装置满意的生产的规定压力。若在实际使用英格索兰离心式空气压缩机时对压力要求比较高，可选择增加叶轮的方式提升气体压力，通常情况下，增加的叶轮与空气压缩机原叶轮串联。

机体主要指的是空气压缩机的壳，其能够对空气压缩机的内部零部件提供一定的保护作用，同时能够给予空气压缩机良好的密封环境，促使空气压缩机能够稳定的生产空气内能。

滑动轴承支撑叶轮转子组件，其功能是对叶轮的旋转提供支撑，并保证叶轮的稳定性。当叶轮伴随着转子组件的运动开始运动时，随着叶轮速度的增加，其惯性也就越大，而此时，叶轮承受的转子径向力也就越大，故而需要轴向推力轴承平衡转子组件一部分轴向力，帮助转子能够更好的承担叶轮的径向力。

3.3 英格索兰空气压缩机特点分析

第一，英格索兰空气压缩机在叶轮旋转一周，气体便会自动的向管道排出，由于英格索兰离心式空气压缩机叶轮的旋转速度较高，故而其排气频率较高，且在排气较为稳定，排气时并未产生明显的脉动。

第二，英格索兰空气压缩机运行可靠性较高，该空气压缩机的主要做功部件未高速运转的叶轮，其主要部件也就是轴、滑动轴承与叶轮，这也就说明，该空气压缩机的运动部件较少，在使用时，仅需要保证叶轮的运行稳定性即可[2]。

第三，在英格索兰离心式空气压缩机内还包含过滤器、水冷却器等组件，但这些组件均是可拆卸的，故而其保养工作相对便捷，并不需要高精度技术进行养护工作。

第四，英格索兰离心式空气压缩机主要由微电脑进行控制，利用PLC控制系统进行指令的变成，并输入微电脑中促使英格索兰空气压缩机能够自动完成工作，且当存在运行故障时，微电脑也可根据指令的执行情况判断是否存在故障，若存在故障可自动停止设备的运转，故而其自动化程度较高，非常适用于现代石油化工企业。

第五，英格索兰离心式空气压缩机采用的是整体撬装的形式，占地面积小，其整体处于相对平衡的状态，且其在运行过程中也不会产生不平衡力影响设备的运行稳定性，故而在实际使用英格索兰空气压缩机时，仅需将其放置于平坦的地面即可，并不需要为其配备固定支架、支座等，其使用较为便捷。

4 英格索兰空气压缩机故障分析

4.1 主要故障描述

2006年10月，该企业发现英格索兰离心式空气压缩机存在跳车现象，随后，跳车现象出现频次显著增多，2006年至2015年5台空压机累积出现98次跳车现象，当英格索兰空气压缩机出现跳车之后，控制面板主要显示二级、三级振动值高连锁停机或级间温度高连锁停机等信号[3]。

4.2 故障原因分析

根据上文描述可知，该企业的英格索兰空气压缩机跳车故障主要包括两种：一种为“转子振动值高”联锁故障；另一种为“级间温度高”联锁故障，具体分析情况如下。

4.2.1 联轴器故障引起的异常振动

该压缩机运行15个月后正常计划检修，拆卸压缩机各级壳体、冷却器，清洗叶轮、级间冷却器，复查各部间隙正常，回装后开机正常，并运行。开机58小时后，压缩机一级振动缓慢上涨，机身伴有异常振动，因压缩机刚检修，排除转子组件故障，通过分析，认为是联轴器部分故障。

联轴器形式为齿式联轴器，轴与联轴器为过盈配合，过盈量0.15 mm。拆卸压缩机端联轴器外圈，发现压缩机端联轴器内外齿磨损，造成压缩机对中不良。在内外齿缓慢恶化过程中，振动逐渐增大，造成一级振动升高。因联轴器过盈量较大，30 t液压拉力配合加热无法取出，故采取破坏性拆除，损坏齿如图1、图2所示。

图1 压缩机端联轴器损坏外齿

图2 压缩机端联轴器正常外齿

确认故障原因后，采取更换整套齿式联轴器措施，压缩机恢复开机正常，实现稳定运行。

原因分析：由于压缩机端齿式联轴器外齿只能向压缩机机体端后移，移动距离很短，不能全面彻底检查内外齿的磨损情况，造成检修时检查死角，未及时发现故障隐患进行消除，进而引发该故障。

预防性措施：该联轴器连续运行15年未更换，只是进行每次的例行保养，存在疲劳损坏原因。为避免类似故障发生，制定了以下措施：(1)增加保养频率，由每年1次，改成2次；(2)每个大检修周期(4～5年)更换新齿式联轴器。

4.2.2 推力轴承故障引发各级振动加剧

某台压缩机运行6个月后，一二三级转子振动同时波动，初步分析原因为仪表控制系统故障。压缩机转子一二三级为电动机驱动大齿轮同步驱动，以前发生故障均为单级振动波动，没有发生三个转子同时波动情况。根据故障现象，仪表专业更换了控制柜部分组件，检验正常后开机，压缩机加载到0.89 MPa工作压力后，运行2分钟压缩机突然跳停，由此可见一二三级振动波动并非仪表专业故障。

对压缩机故障重新组织分析，可能是联轴器引起的故障，也有可能是某一级转子振动较大，通过压缩机大齿轮发生的振动传递，造成所有转子振动同步波动。立即组织检修人员，对压缩机进行拆检，检查各级转子叶轮正常，检查联轴器正常，决定深度检修，拆卸所有转子组件、滑动轴承。

拆卸各级转子组件、滑动轴承、主副推力盘轴承，发现二级主推力轴承推力面有严重损坏痕迹，与之配合的推力盘表面确完好无损。通过分析，该推力轴承推力面长期承受推力盘的挤压，在润滑不良，转子高速运转冲击下，会造成推力面巴氏合金温度升高，表面变软，瞬间疲劳脱落，并留下高温烧焦痕迹。

更换二级推力轴承后，压缩机试运行，各级转子长时间无振动波动，运行平稳，正常开机。

原因分析：检修深度不彻底，致使问题隐患未及时发现，同时故障分析还是不准确，存在凭经验盲目处置的问题。

预防性措施：在检修策略中增加了每2年全面解体各级转子组件及滑动轴承的条款，消除压缩机隐患，避免设备事故发生。

4.2.3 转子叶轮故障引起的三级振动骤升

该压缩机在计划检修后，正常运行，在运行9个月后，三级振动由8.1×10-3mm突然升高至4.6×10-2mm(报警值2.8×10-2mm，跳停值3.3×10-2mm)，一二级振动正常，机组三级振动高连锁停机。通过分析，确认是转子部件出现问题，动平衡被瞬间破坏，在高转速情况下(三级振动27 000 r/min)转子失稳，振动突然变大。

拆卸压缩机三级壳体，检查发现叶轮中2片叶尖缺失，造成动平衡破坏，振动瞬间升高，达到跳停值，受损叶片如图3所示。

图3 损坏三级叶轮叶片

叶轮为整块锻件，通过五轴联动机床切削加工而成，各种力学性能良好，叶轮使用时间为5年，在正常寿命内，判定是压缩机流道内进入硬质物，在高速运动中对叶片造成强烈冲击，导致叶片损坏，振动骤升。

由于叶轮损坏程度较大，无法通过激光融合等工艺修复，同时叶轮高速运转，就算修复也会存在运行隐患。最终决定更换新转子组件，保证机组平稳运行。

分析原因：压缩机三级壳体为碳钢结构，为减少压缩空气介质阻力，设计为流线型。空气在压缩后会含有大量凝结水，在一二级输水不畅的情况下，会将大量的凝结水带着三级流道内。三级壳体材质原因，会受到凝结的腐蚀，在长期作用下，会存在锈块整体脱落的可能。

预防性措施：(1)对水汽分离装置进行改造，增加凝结水的疏出，减少压缩空气中的水分；(2)内次检修对三级壳体机器除锈，彻底清理表面不稳定锈迹层，杜绝大块锈块脱落，对转子造成影响。

按照上述要求检修后，目前为止，未出现转子叶轮叶片受损问题。

4.2.4 转子叶轮积碳引起的转子振动

压缩机在高速运转过程中，会增加空气的流动速度，在通过扩压器，将速度能转化为压力能，在此过程中，压缩气体温度会变高，由于大气中的空气不是很纯净，含有不少微小颗粒杂质。在与空气一起流动的过程中，在与空气接触时有凝结水的存在，会变得湿润，在经过叶轮时，少量颗粒会附着在叶轮表面，然后在叶轮能换转换，形成额高温作业下，附着在叶轮表面的颗粒会变硬，跟随叶轮一起转动。在持续运行过程中，叶轮表面颗粒会越来越多，最终会导致转子振动非常缓慢上升，达到一定时间后就会振动接近报警值、停机。

原因分析：转子叶轮结垢，会严重影响动平衡，振动变大，只有解决了空气中含有的微小颗粒问题，才能消除结垢影响。

预防性措施：(1)提升压缩机如果过滤器精度，在不影响入口气量情况下，使用更高一级精度的过滤器；(2)改善压缩机入口空气环境，增加压缩机吸入口高度，越高的地方灰尘越少，叶轮较少积碳。

经过上述改造，压缩机叶轮积碳情况明显好转，运行周期稳步延迟。

4.2.5 冷却器密封胶条缺陷造成故障

密封胶条是隔离压缩空气冷却前和冷却后的重要辅件，如果密封胶条出问题，会导致大量压缩气体不经过冷却器降温，直接进入下一级压缩，造成温度叠加升高，最终会导致压缩机由于级间温度高联锁报警，或者停机故障。

某台压缩机正常计划检修后，运行8个月，二级出口温度高报警，需要再次检修。通过分析，级间温度升高，可能是冷却水系统出问题，或者是冷却器密封系统问题造成。

检查冷却水过滤器，无堵塞；通过专用仪器测冷却水流量，与其他4台压缩机一样，流速正常；检查冷却水压力正常，初步判断为冷却器问题。

拆卸压缩机二级壳体，抽出冷却器芯，发现密封胶条老化、发脆，已没有任何延展性，稍微用力变断成几节，没有密封的作用。因此导致大量二级压缩出来的高温没有经过冷却器冷却，直达二级出口，造成二级温度高的现象。新、旧密封胶条的对比，及使用后老化的情况如图4和图5所示。

图4 冷却器新密封条的状态完整

图5 旧密封条已老化、变脆，失效

原因分析：通过检测分析，确认该密封材料是通过模具硫化一次成型的氟橡胶，使用日期尚在保质期内。通过实践证明，该材质密封胶圈不适合在此工况下的设备运转密封要求，必须进行材质升级，才能满足压缩机的使用工况。

预防性措施：通过对橡胶产品性能对比，全氟醚橡胶材质密封胶条性能更优越，更能使用该压缩机工况，随即觉得更改密封胶条材质。经过验证，全氟醚橡胶密封胶条使用寿命比氟橡胶在相同环境寿命延长3倍，可实现设备长周期运行的效果。

5 结语

综上所述，压缩机在经过长时间运行后，所有部件都会出现使用性能下降、寿命衰减情况，故设备故障也是多种多样的。这就要求检维修深度不断加大，尽量及时发现设备隐患，进行消除。发现设备问题后，一定要组织深入分析，通过制定预防性措施，或者设备改造计划，找出最合理的解决问题办法，彻底消除潜在的和可能发生的设备故障，才能真正实现设备的长周期运行的目标。