發表時間： 2023-07-10 14:02:35
作者： 張錫德等
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中石油塔里木石化分公司空氣壓縮機是大化肥裝置的“五大機組”之一，其作用是為合成氨裝置二段爐提供轉化所需要的壓縮空氣，機組于2010年5月投入運行，機組配備了一套完整的油站系統，為壓縮機和汽輪機提供所需的潤滑油，為防止機組軸瓦因缺油而燒損，設置了潤滑油低油壓聯鎖跳車控制邏輯，2019年7月空氣壓縮機因潤滑油低油壓而兩次聯鎖跳車，不明原因跳車嚴重影響到化肥裝置運行，對可能造成油壓突降的各種因素進行分析排查，確定了故障來源，在無備件情況下，對損壞部件進行自加工及替代修復，確保了機組正常運行。
機組有關情況
空氣壓縮機為多軸式離心壓縮機，為6級壓縮，由德國ATLAS COPCO公司制造，其驅動設備為中壓注汽凝汽式透平，由杭州汽輪機設備股份有限公司生產。多軸空氣壓縮機型號為GT078L4K1G/GT032L2K1，其流量為58819Nm3/h，入口壓力為0.088MPa，出口壓力為3.819MPa，汽輪機型號為NK40/56，其功率為10241W，轉速為5860r/min。
01機組油系統
機組油系統由兩部分組成，一部分為潤滑油系統，用于機組徑向軸瓦及推力軸瓦的潤滑及冷卻，使軸瓦建立油膜，同時將軸瓦在轉動中產生的摩擦熱帶走；另一部分為控制油系統，用于汽輪機轉速調節系統及保安系統見圖1。
油系統穩定運行對機組軸瓦安全運行及汽輪機轉速精確控制至關重要，為保證機組安全、穩定運行，在油系統中采取了以下保障措施：
（1）配置副油泵。當主油泵出現故障時，可運行副油泵，以保證油系統連續運行。
（2）設置副油泵自啟。當潤滑油壓力下降至0.21MPa時，副油泵自啟，以確保機組軸瓦有足夠的油量。
（3）設置潤滑油低壓力聯鎖。當潤滑油壓力下降至0.19MPa時，觸發聯鎖，機組跳車。
（4）設置高位油箱。當主油泵自停，副油泵無法自啟，即油泵無法供油時，機組連鎖停機，高位油箱給機組軸瓦供油，確保軸瓦安全。
（5）設置蓄能器。在油泵出口和控制油路安裝了蓄能器，以防止油壓瞬間波動。
（6）設置自力式調壓閥。在油泵出口及潤滑油路設置了自立式調壓閥，分別對油泵出口油壓及潤滑油油壓進行調節，同時起到穩定油壓的作用。
02自力式調壓閥工作原理
自力式調壓閥由主閥和指揮閥組成見圖2，潤滑油由箭頭方向流進主閥和指揮器，入口壓力P1一路進入主閥A室，另一路進入指揮器C室，做為能源使用，出口壓力P2進入指揮器B室做為檢測信號，P1經指揮器閥芯成為控制信號壓力Ps。
出口壓力P2作用在B室的力與設定彈簧作用力相平衡時的指揮閥閥芯位置決定了主閥控制信號Ps大小。
若出口壓力P2增加時，指揮器B室作用力增加，P2＞P設定彈簧，指揮閥閥芯開度減小，作為能源使用的壓力P1經指揮器閥芯節流阻力增加，控制信號Ps減小，該壓力進入主閥D室，Ps＜P1＋P主彈簧，主閥閥籠開度減小，出口壓力P2減小，直到壓力恢復到設定壓力。
若出口壓力P2減小時，作用方向相反。
設定壓力由指揮器調節螺釘來調節彈簧力而達到。
油壓突降原因分析
01低油壓聯鎖跳車情況
2019年7月1日13:51因一段入口分離器B507液位高，導致氨壓縮機聯鎖跳車，進而觸發IS-7聯鎖（合成氣壓縮機部分聯鎖），13:54因水碳比低觸發IS-1聯鎖（一段爐聯鎖），造成全裝置跳車。
事故原因經分析及處理后，于7月1日15:20裝置進行熱態開車，7月2日5:30裝置負荷提至40%，5:40空氣壓縮機開始沖轉，6:40機組達到正常轉速，8:17空氣壓縮機因潤滑油壓力低而聯鎖跳車，經排查，未發現異常，從穩妥考慮，在油冷器及過濾器處對油路進行排氣，將潤滑油壓力由從0.23MPa提高到0.26MPa，遠離低油壓聯鎖跳車點，同時向油箱內補充油量400L，以提高油箱液位，增加潤滑油泵吸入口壓力，防止油泵被抽空。
7月2日18:20空氣壓縮機再次啟動，7月3日22:50裝置負荷提升至78%，7月4日4:48:43空氣壓縮機因潤滑油壓力突然降低而聯鎖跳車見圖3，裝置負荷被迫退守至40%。
停機后從ESD、DCS、ITCC中調出機組相關運行數據，對其進行分析，情況總結如下：
（1）事故前：汽輪機工作轉速為5860.23r/min，潤滑油壓力為0.258MPa，控制油壓力為0.947MPa。
（2）事故前：潤滑油有一定波動，其波動量約為0.035MPa，而控制油壓力波動很小，其波動量約為0.012MPa。
（3）4:48:43潤滑油壓力突然下降，其值從0.258MPa降低至0.19MPa，觸發油壓聯鎖，機組跳車。
（4）潤滑油突降1秒后，其油壓開始上升，4:48:53油壓升至0.235MPa，而后油壓基本保持穩定。
（5）控制油壓4:48:43突然下降，從0.947MPa下降至0.918MPa，4:48:44又突升至0.977MPa，而后油壓基本保持穩定。
（6）潤滑油壓先于控制油壓下降，其時間差為1s。
（7）兩次油壓突降趨勢基本一致，都是潤滑油壓先降，然后控制油壓再降。
（8）在兩次潤滑油壓力突降時，副油泵都成功自啟。
02原因分析
機組油壓聯鎖跳車后，為查找原因，首先進行了副油泵自啟試驗，此時潤滑油壓為0.26MPa，副油泵在自啟狀態，停主油泵，查看副油泵啟動后潤滑油壓力的最低值，共進行了四次試驗，三次成功，一次油壓降至1.42MPa，試驗失敗，因低油壓聯鎖值為1.9MPa。
經分析，引起機組潤滑油壓力突降的原因可能來自以下幾方面：
（1）油泵出口蓄能器失效
潤滑油管路上的蓄能器，其主要作用是一方面在油泵切換時或某些原因造成油壓突降時，利用蓄能器儲存的壓力油來補償油路上的瞬間用油，保持供油壓力恒定，消除機組在瞬間內低油壓聯鎖跳車；另一方面利用蓄能器的儲能功能，在油路中衰減油壓脈動，起穩定油壓的作用。一般蓄能器內預壓力為工作壓力的60%~70%，因油泵出口壓力為0.12MPa，即預壓力為0.72~0.84MPa。
首先預判油泵出口蓄能器失效導致低油壓聯鎖，其依據如下：
①在事故出現前，潤滑油壓力存在一定的波動。
②在低油壓聯鎖前副泵已自啟，但油壓未能保住。
③在副泵自啟試驗中出現過試驗失敗的情況。蓄能器失效主要表現為蓄能器內的預壓力過低，甚至無壓力，為確定蓄能器中預壓力是否正常，將蓄能器底部進油管線閥門關閉，打開排油導淋閥，將蓄能器中的潤滑油排盡，用測壓工具進行測壓，發現蓄能器內預壓力為0.81MPa，預壓力在指標范圍內，該原因可以排除。
（2）油泵出口安全閥失效
在主、副油泵出口管線上都安裝了泄壓安全閥，當油壓過高時安全閥起跳，油泄至油箱內，安全閥整定壓力是工作壓力的1.05~1.10倍，因油泵出口油壓力為1.2MPa，其整定壓力1.26~1.32MPa。
若安全閥失效，有可能提前泄壓，導致低油壓聯鎖。對安全閥出口管線觸摸，未發現管線有溫升，為穩妥起見，將安全閥進行了重新校定，經測試起跳壓力為3.0MPa，該原因可以排除。
（3）自力式調壓閥失效
從上述描述中可知，油路上安裝的自力式調壓閥是設定油壓及穩定油壓的，若自力式調壓閥出現故障，其性能不穩定，會造成油壓大幅度波動，導致低油壓聯鎖，經分析低油壓聯鎖是由潤滑油調壓閥故障而引起的，其依據如下：
①在事故發生時，潤滑油壓力突降先于控制油壓力。
②在事故前，潤滑油波動遠大于控制油壓力波動。
③若故障來自油泵出口調壓閥，因潤滑油調壓閥穩壓作用，只有油泵出口壓力大幅度下降時，才能引起潤滑油壓力有較大的下降，這與事實不符。
為確認故障來源，對潤滑油調壓閥進行了解體檢查，發現指揮閥完好，主閥油缸嚴重磨損，活塞泛塞封損壞見圖4。
自力式調壓閥主閥由閥體、閥籠、閥桿、活塞、缸套、泛塞封及彈簧等組成見圖5。
當缸套磨損及活塞上的泛塞封損壞后，其密封效果下降，出現漏油現象，作用在活塞上部的控制油通過活塞泛塞封漏至主閥出口，因泄壓，控制信號壓力PS突然減小，原有的平衡被打破，導致Ps＜P1+P主彈簧，主閥閥籠開度突然減小，出口壓力P2猛然下降，造成潤滑油低油壓聯鎖跳車，因P2減小，會使指揮閥閥芯開度增大，PS增大，主閥開度逐漸增大，P2在逐漸回升，因缸套磨損較嚴重，盡管Ps在增大，指揮閥閥芯開度最終達到最大值，但主閥閥籠開度始終沒有達到設定開度值，所以潤滑油壓力未恢復到事故前的0.258MPa，而僅為0.235MPa。
當主閥閥籠開度突然減小、潤滑油突然下降時，因油泵出口調壓閥調節滯后原因，控制油壓力應該有小幅上升，從圖3可看出，控制油不但沒有上升，而且下降了0.023MPa，結合事故前控制油也存在波動現象，說明了該調壓閥也存在一定問題，當副泵啟動后，經油泵出口調壓閥調壓，控制油壓力穩定在0.977MPa。
泛塞封是一種應用范圍極其廣泛的密封圈，是由一個具有防腐彈簧（一般為不銹鋼）及一個類似于U形的填充PTFE材料制成的密封環組合而成。在系統壓力為零時，彈簧提供初始的預壓力，當系統壓力提高時，U形腔內充滿壓力介質而使唇邊緊貼缸壁，保證了密封在整個壓力變化過程中，始終具有良好的密封性能。泛塞封工作極限：壓力為700MPa，溫度為-180~300℃，線速度為20m/s。
帶骨架彈簧片的泛塞封，在運行過程中，因聚四氟乙烯唇邊磨損后，不銹鋼彈簧片與缸套內壁摩擦出溝槽，導致偶發性漏油，密封失效，當油壓低于0.19MPa時，機組聯鎖跳車。
對策
自力式調壓閥是fisher的產品，因廠商無現貨，從周邊廠調配一臺自力式調節閥，經法蘭改造后安裝使用，油泵開啟后潤滑油無壓力，經分析、檢查，確認調壓閥是控制上游壓力的，不適用。
（1）因無調壓閥及配件，經分析，決定采取以下措施：
①用304不銹鋼加工一個整體活塞來代替分體式活塞，用O型圈密封代替泛塞密封，其材質為丁睛膠，使用溫度范圍為-25~100℃，如圖5所示。
②用304不銹鋼加工一個缸套，配合活塞上的O型圈密封。
③對油泵出口調壓閥進行檢查，因無配件，據分析，油泵出口調壓閥仍在可控范圍內，最終未對該調壓閥進行強行拆檢。
④提高潤滑油壓，將潤滑油壓力從0.23MPa提高至0.26MPa。
⑤根據經驗，從穩妥考慮，將潤滑油聯鎖值從0.19MPa改至0.17MPa，同時將聯鎖延時從1s改為3s。
2019年7月5日23:30空氣壓縮機啟動，啟動后潤滑油壓力波動狀況基本消除，運行正常，而控制油壓力仍然存在波動現象見圖6。
（2）后續工作
①各訂購一套潤滑油調壓閥及油泵出口調壓閥，在冬季裝置停工期間進行更換。
②各訂購一套調壓閥的維修包，對于潤滑油調壓閥，其維修包中包括缸套及泛塞密封件等配件，對換下調壓閥進行檢修，做備用。
③建立調壓閥維護保養管理制度，對調壓閥進行定期維護保養，做到預防性維修，確保調壓閥完好。
④建立調壓閥備品備件清單，根據庫存及時采購備件。
結束語
空氣壓縮機因潤滑油壓力突降，兩次觸發低油壓聯鎖跳車，對事故原因進行分析及排查，得出以下結論：
（1）自力式調壓閥主閥泛塞密封失效是潤滑油壓力突降、機組聯鎖跳車的根本原因。
（2）泛塞密封唇邊磨損后，不銹鋼彈簧片與缸套發生摩擦，缸套磨出溝槽，導致密封失效。
（3）泛塞密封漏油會導致控制信號壓力突降，主閥閥籠向關小的方向運動。
（4）在潤滑油調壓閥故障后，副泵自啟對潤滑油壓力影響不大，對油泵出口壓力略有影響。
（5）自加工缸套及O型圈替代泛塞封能有效解決主閥缸套密封。
（6）適當降低低油壓聯鎖值或提高油壓運行值可有效避免低油壓聯鎖跳車。
（7）制定備品備件儲備定額，對自力式調壓閥定期保養是防止突發故障的關鍵。
