延遲焦化裝置富氣壓縮機(jī)軸彎曲事故分析

杜曉吉，劉玉平

（陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木天元化工有限公司，陜西榆林 719319）

1 設(shè)備概況

延遲焦化裝置富氣壓縮機(jī)為雙螺桿壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 故障現(xiàn)象

壓縮機(jī)運(yùn)行過程中因電氣原因跳車，再次啟車后，壓縮機(jī)機(jī)體振動(dòng)劇烈，隨后按程序停機(jī)，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行解體檢查。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn):①陽轉(zhuǎn)子變速齒輪平鍵沿水平面剪切斷裂；②陽轉(zhuǎn)子靠吸入側(cè)氣封處，軸彎約0.11 mm；③陽轉(zhuǎn)子軸頸與氣封均嚴(yán)重磨損。圖1 為切斷后的陽轉(zhuǎn)子平鍵斷裂，圖2 為陽轉(zhuǎn)子軸頸磨損情況，圖3 為陽轉(zhuǎn)子SRM 型線靠吸入側(cè)磨損情況，圖4 為陽轉(zhuǎn)子吸入側(cè)氣封處軸頸磨損情況，圖5 為陽轉(zhuǎn)子機(jī)殼吸入側(cè)氣封嚴(yán)重磨損情況，圖6 是富氣壓縮機(jī)出口配管。

3 原因分析

3.1 平鍵剪切斷裂分析

3.1.1 平鍵材料確定

由于現(xiàn)有的光譜儀只能分析合金元素，無法對(duì)鋼中的碳元素準(zhǔn)確定量，現(xiàn)場用火花簽別法初步確定平鍵材料。

（1）低碳鋼（20#）火花:花量極少，芒線二、三叉而呈星形，花角狹小，流線帶紅色而稍暗，火束細(xì)長，全體帶紅色。

（2）中碳鋼（30#～45#）火花:芒線十?dāng)?shù)叉而花頭形尖，呈星形，在花尖上有小花及花粉發(fā)生，花數(shù)約占全體1/2 以上，火束較低碳鋼稍明亮而粗，火花盛開。

（3）現(xiàn)場簽別，接近于低碳鋼而非常用的45#鋼，在相關(guān)手冊中，只找到45#的在沖擊載荷下的許用剪應(yīng)力[τ]，而找不到剪應(yīng)力的極限值，綜合前面材料因素，暫以許用剪應(yīng)力替代極限剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

3.1.2 平鍵折斷時(shí)的轉(zhuǎn)矩、電機(jī)功率、電機(jī)電流計(jì)算

圖1 切斷后的陽轉(zhuǎn)子平鍵斷裂

圖2 陽轉(zhuǎn)子軸頸磨損

圖3 陽轉(zhuǎn)子SRM 型線靠吸入側(cè)磨損

（1）平鍵折斷時(shí)的轉(zhuǎn)矩T=（S-S1）×[τ]×（D/2）。其中，T 是平鍵折斷時(shí)轉(zhuǎn)矩，N·m；S 是平鍵橫載面積，m2；S1是平鍵工藝螺栓孔橫載面積，m2；[τ]是極限剪應(yīng)力，MPa；D 是軸的直徑，m。

（2）電機(jī)功率P=T×ω。其中，P 是平鍵折斷時(shí)電機(jī)功率，不考慮效率，kW；ω 是轉(zhuǎn)速。

（3）電機(jī)電流I=P/（1.732×U×ψ）。I 是平鍵折斷時(shí)電機(jī)電流，A；U 是電機(jī)電壓，V；ψ 是功率因素，取值0.85。

平鍵折斷時(shí)的轉(zhuǎn)矩、電機(jī)功率、電機(jī)電流的計(jì)算結(jié)果見表2。

對(duì)Y 系列三相異步電動(dòng)機(jī)，在JB/T 10391—2002 《Y 系列三相異步電動(dòng)機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定，電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流與額定電流之比大致如下（該值按小功率電機(jī)選取，電機(jī)功率較大時(shí)，其值應(yīng)適當(dāng)下調(diào)）:同步轉(zhuǎn)速3000 r/min 時(shí)，堵轉(zhuǎn)電流與額定電流之比為7.0；同步轉(zhuǎn)速1500 r/min 時(shí)，堵轉(zhuǎn)電流與額定電流之比為7.0；同步轉(zhuǎn)速1000 r/min 時(shí)，堵轉(zhuǎn)電流與額定電流之比為6.5[1]。

因存在特殊工況原因，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩上升到前述值，當(dāng)電機(jī)再啟動(dòng)時(shí)，可在很短時(shí)間內(nèi)將平鍵切斷。

圖4 陽轉(zhuǎn)子吸入側(cè)氣封處軸頸磨損

圖5 陽轉(zhuǎn)子機(jī)殼吸入側(cè)氣封嚴(yán)重磨損

圖6 富氣壓縮機(jī)出口配管

表2 轉(zhuǎn)矩、電機(jī)功率、電機(jī)電流計(jì)算結(jié)果

3.2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩、電機(jī)功率增大原因分析

螺桿壓縮機(jī)陽陰轉(zhuǎn)子工作原理[2]與往復(fù)壓機(jī)相同，陰轉(zhuǎn)子相當(dāng)于氣缸，陽轉(zhuǎn)子相當(dāng)于活塞，其氣流方向與轉(zhuǎn)子軸線有一個(gè)較大的角度，對(duì)轉(zhuǎn)子有較大徑向分力。

螺桿壓縮子陰、陽轉(zhuǎn)子工作過程為吸氣、壓縮、排氣3 個(gè)過程。在壓縮過程中其密封腔是封閉的，通過容積不斷減小，提高氣體壓力至額定值后，進(jìn)入排氣過程。

正常工作過程中，為降低排氣溫度，冷卻轉(zhuǎn)子，在壓縮機(jī)入口端設(shè)置有噴淋裝置，進(jìn)行噴水冷卻。

水是液體，壓縮系數(shù)很小，在工程上認(rèn)為是不可壓縮的。如果在啟車階段，壓縮機(jī)機(jī)體內(nèi)存有大量的水，則在壓縮階段隨著密封容積的減小，壓力會(huì)上升到非常高的數(shù)值（如果此時(shí)系統(tǒng)有較高的背壓，而壓縮機(jī)出口至入口回路閥門未開或未全開，更加劇此種現(xiàn)象）。不可壓縮的流體只能從頂間隙、側(cè)間隙、泄漏三角形等微小縫隙處以聲速或近于聲速流出，造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)，同時(shí)過大的徑向力產(chǎn)生的彎矩足以將轉(zhuǎn)子壓彎，使轉(zhuǎn)子與殼體相碰，造成故障。此時(shí)壓縮機(jī)瞬間軸功率和轉(zhuǎn)矩非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電機(jī)功率和平鍵所能承受的極限轉(zhuǎn)矩。

3.3 機(jī)體冷卻液積存原因分析

從圖6 現(xiàn)場設(shè)備配管情況分析，由于出口分液罐和富氣壓縮機(jī)相對(duì)位置存在問題，分液罐的入口標(biāo)高比壓縮機(jī)出口高，導(dǎo)致壓縮機(jī)出口管線成U 形彎狀。停車時(shí)，出口管道的余壓會(huì)將水壓入壓縮機(jī)殼體內(nèi)，如沒有較高的氣速，水基本充滿后方流入分液罐，此種狀態(tài)下啟機(jī)，極易造成壓縮機(jī)軸彎故障。

螺桿壓縮機(jī)是運(yùn)行非常穩(wěn)定的設(shè)備，只要保障油、水系統(tǒng)就可以保證運(yùn)行穩(wěn)定。

多起螺桿壓縮機(jī)故障的原因幾乎全是水系統(tǒng)的問題。以前對(duì)斷水、缺水有較高的警惕性，對(duì)壓縮機(jī)噴淋水過濾器壓差及排氣溫度控制得非常嚴(yán)格。但在啟車階段，機(jī)體內(nèi)存在大量的水而未作處理，其危害可能更大。

3.4 其他原因分析

富氣壓縮機(jī)陰、陽轉(zhuǎn)子SRM 型線磨損，只是在陽轉(zhuǎn)子靠吸入側(cè)有少許擦傷，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)分析，可以基本排除噴淋水中斷和入口過濾器堵塞導(dǎo)致吸入口真空等原因。

壓縮機(jī)帶壓啟動(dòng)時(shí)，出口管路系統(tǒng)尚有較高的背壓，壓縮機(jī)出口至入口回路閥門未打開，電機(jī)的啟動(dòng)電流會(huì)非常高，也會(huì)出現(xiàn)前述的現(xiàn)象。在壓縮機(jī)操作法中，對(duì)此有明確的規(guī)定，除非誤操作，否則不會(huì)出現(xiàn)此類情況。

4 結(jié)論

綜上所述，該富氣壓縮機(jī)事故主要原因是安裝過程中未能充分保障分液罐與機(jī)體高差，導(dǎo)致停機(jī)狀態(tài)下機(jī)內(nèi)存水未能排出，壓縮機(jī)帶液啟動(dòng)，發(fā)生損壞。

5 處理方案

除按規(guī)程修復(fù)壓縮機(jī)主機(jī)外，采取下述措施避免同類事故的發(fā)生:

（1）降低出口分液罐安裝高度，保障其與壓縮機(jī)本體出口具有合適高差，保障機(jī)體內(nèi)冷卻液及時(shí)排出。

（2）重新配管，壓縮機(jī)本體出口端避免出現(xiàn)U 形管路而導(dǎo)致積液。

（3）啟機(jī)前保證分液罐留有充足儲(chǔ)液空間，防止管路帶液。