CRH3型动车组用风管路积水的调研分析

李 巍， 湛 青， 赵稳平

(中车唐山机车车辆有限公司， 河北唐山 063035)

CRH3型动车组的主空压机采用SL22-54型带喷油冷却的双轴旋转式空压机，工作转速1 750 r/min,在1 000 kPa工作压力下输送气体1 300 dm3/min。

CRH3型动车组管路中的积水是压缩空气中的冷凝水，从主空压机的干燥系统进行攻关,确定此问题调研方向为空气干燥器、外界空气温湿度环境和运用检修3方面。

1 主空压机干燥系统研究分析

1.1 双塔干燥器原理

双罐型冷却再生吸附干燥设备同时运行两个工序，即干燥阶段和再生阶段并行。当一个干燥罐中主气流被干燥时，另一干燥罐中的干燥剂则再生。在通过一个塔中的干燥剂(由铝硅酸盐制成，能够吸附水分子)时，空气中尚含的水分被吸走，使压缩空气从风缸中流出时的相对湿度小于35%。一部分已干燥的空气被分流出来，被送入相反方向，这种空气也称为再生空气，它从需要再生的干燥剂中吸走了水分。当干燥剂即将达到饱和极限时，通过电子控制装置换接，使双塔作用互换。

待压缩的空气经空气滤清器过滤后导入压缩机单元，空压缩后经过机油粗分离器和集油器后去油，再经过空气冷却器进入压缩空气输出口后通过干燥塔进行干燥，输出到精细滤油器再次进行油气分离，最后无油、干燥的压缩空气进入到用风管路及设备中。

如果主空压机输出的压缩空气在进入干燥塔前不能有效的除油，则会使过多的油随着压缩空气进入到干燥塔中，污染干燥粒子，使其干燥性能不良，从而导致管路中压缩空气相对湿度增大，在降温过程中析出更多的冷凝水。

1.2 空气必须进行干燥处理的原因

大气中总是含有水蒸气，只要水分以蒸气形式存在，它始终与空气结合在一起，直到超过饱和极限(=100% 空气相对湿度)，水分才以雨滴、雾或雪的形式落下。饱和极限视温度而变化，随着温度的升高，空气能吸收更多的水分。所以在主空压机的压缩过程中由于温度的升高不会凝结出水，而只有当输送的压缩空气在二次冷却器中重新冷却时才会凝结出水。

一个简单的计算示例可以说明这一过程：

相对湿度用RH表示。相对湿度的定义是单位体积空气内实际所含的水气密度(用d1表示)和同温度下饱和水气密度(用d2表示)的百分比，即RH(%)=d1/d2×100%，如表1所示不同温度下的含水量表。

根据理想气体状态方程pV=nRT(式中各字母的意义：p压强、V体积、n物质的量、T温度、R是气体普适常数)，可知在同一温度、相同体积下空压机压缩后的空气中的含水量为

H=ρw×P相对压力

式中H为含水量，ρw为绝对湿度，P相对压力为压缩后的空气压力。

1 m3空气在相对湿度100%的情况下，由T2温度下降到T1温度时，析出的冷凝水为

HT1=(ρwT2-ρwT1)

式中ρw为绝对湿度，ρwT为T温度下的绝对湿度，单位是g/m3,ρw50代表50℃的绝对湿度，查表1可知空气饱和情况下ρw50=82.65 g/m3，ρw20=17.27 g/m3，ρw10=9.39 g/m3。

表1 绝对湿度与相对湿度对应表(大气压：100 kPa)

P相对压力为空压机压缩空气后，最后形成的1.1 MPa绝对压力。

当室外温度T为30℃、相对湿度RH为80%时，查表可知空气含有ρw30=24.25 g/m3，则1 m3被吸入的空气中水蒸气含量为24.25 g，而经过空压机压缩到1 MPa的1 m3的空气中下含有H30℃=(ρw30×P相对压力)= 266.75 g的水。在压缩过程中空气温度上升，当再冷却到50 ℃时，处于饱和状态的空气只能接受下ρw50=82.65 g/m3水蒸气；这样1 m3空气中就要凝结出冷凝水(H30℃-ρw50)=266.75-82.65=184.1 g/m3。这一示例清楚地表明，在压缩空气系统中空气再冷却后总是处于饱和状态。这样由于自然冷却而进一步降温时水就会凝结落下，当压缩空气再从50 ℃冷却到20 ℃时，会进一步析出H20℃=(ρw50-ρw20)=82.65-17.27=65.38 g/m3水，再进一步冷却到10 ℃时，甚至会析出H10℃=(ρw20-ρw10)=17.27-9.39=7.88 g/m3水。这表明仍有不少的水以水蒸气的形式残留在压缩空气系统中，在逐步的降温过程中析出冷凝水,从而导致设备腐蚀、冻结等问题。

所以，在压缩空气进入用风管路和设备前，必须使压缩空气的空气湿度降低到微不足道的剩余含湿量(相对湿度35%以下)，这样即使在有腐蚀催化剂的情况下也不会腐蚀，避免气动组件由于结冰而受损，从而延长气动组件的寿命，提高可靠性。

1.3 干燥失效分析

对多台干燥失效的主空压机进行了拆解分析，发现干式空气滤清器安全滤芯上有明显脏污，滤芯的过滤效果不良将直接导致进入主空压机的空气质量差，从而污染润滑油、污染油气分离器(称重偏重，判断滤网中存油)，使油气分离器功能不良，大量油和杂质随着空压机的压缩输出到干燥塔中，污染干燥粒子。最终结果是压缩空气中存在了过多的水和油。

2 运用维护问题调研

2.1 主空压机维护项点检查

对用户一二级修检查空压机维护项点检查如表2。

表2 对用户的维护项点检查核实表

注：维护等级与车组运行里程及运用时间的关系如下表

2.2 用户主空压机维护情况

配属用户的共计60列CRH3C，13列CRH380BL，47列CRH380B动车组，截止到故障批量发生时共运行了3.006 9×108km(按标准列8辆编组计算)，对用户主空压机过滤元件的采购和消耗情况进行统计分析如下表所示：

通过表4统计看出，用户在对主空压机的维护中所消耗的精细滤油器过滤元件、空气滤清器滤芯和空气滤清器安全元件的数量无法满足二级修主空压机更换件的需求，3种过滤元件的实际消耗与最低应消耗的比值分别为26.9%、14.7%和19.3%，所以用户对空压机过滤元件的更换维护严重不到位。

表3 维护等级与车组运行里程及运用时间的关系表

表4 用户主空压机过滤元件更换情况

3 外界天气情况调研

2016年1月23日库检发现某CRH380BL动车组BCU箱内有水迹，检查后发现管路中存在大量的水和少部分油。对当时车组故障发生时的前10 d的外界温度及冷凝水析出情况进行统计，只有在车组运行至两地温度变化较大时才会析出少量冷凝水。经数据统计，1月22日车组在杭州与青岛两地运行了两趟折反车次(杭州天气2 ℃/-5 ℃大雪，青岛天气-1 ℃/-13 ℃)，达到了压力露点值，析出了0.5 g/m3的水。其他9天均未达到析出冷凝水的临界点。

在发现积水故障的前两天为大雨雪天气，空气湿度100%，考虑在温度极端情况下，车组始发或终到站的外界温度小于压力露点(按管路中压缩空气被干燥塔干燥后的湿度极限值35%计算)，压缩空气湿度会饱和并析出极冷凝水。如果主空压机持续运转，那么在管路中析出冷凝水的速率为(0.5×1 300/1 000)/11=0.06 (g/min),一台主空压机两年的运行时间为不超过3 000 h，在这种100%湿度且干燥塔功能正常的情况下，车组运行一天管路中析出约14 g水，且大部分会存留在风缸底部形成冷凝水，一个月时间也不会析出超过14×30=420 (g)冷凝水。所以从以上数据证明，如干燥器功能良好，外部天气对管路积水的影响极小，可以忽略外部天气的影响，即外部天气不是管路积水的要因。

4 原因及解决方案

4.1 管路积水的原因

(1)从以上数据证明，如干燥器功能良好，外部天气对管路积水的影响极小，则可忽略外部天气的影响，即外部天气不是管路积水的要因。

(2)空气滤清器滤芯和安全元件未按标准检修文件做定期更换，较多的杂质容易进入到空压机中，影响油气分离器的滤油功能和使用寿命，使其滤油性能下降，过多的油和杂质随压缩空气进入下游污染干燥器中的干燥粒子，使干燥器干燥效果不良，最终导致管路中的压缩空气析出水。

(3)检修标准文件中要求的M3修露点测试未执行，所以在日常对空压机的检测中，无法确认主空压机干燥塔的功能是否良好，只有在管路和用风设备中发生大量水后才会确认空压机干燥故障。其实此时空压机的干燥失效的问题早已发生，发现问题为时过晚，对用风设备造成了不可逆的损伤。

4.2 解决方案

(1)对主空压机精细滤油器进行排油量检查，按照空压机运行100 h精细滤油器排油量不大于56 cm3的标准(按参考值约 2 cm3/h矿物油，约 0.8 cm3/h合成油来计算)，对空压机油气分离功能进行评估，并采取以下措施：

① 排油量在0.56～1 cm3/h之间，将M2修程时更换空气过滤器的滤芯和安全元件调整到M1修进行，在M3修程时更换精细滤油器的滤芯调整到M2修，加密过滤元件的更换周期，并对空压机油进行更换，持续跟踪。

② 排油在1 cm3/h以上，直接对主空压机进行更换。

(2)按检查标准，采购露点测试仪，按M3修的检修标准，对主空压机的干燥功能进行检查。除此之外，我们在冬季前也要进行一次压力露点的测试，通过以上手段来评估主空压机的性能。

5 结 论

(1) 管路中进水的问题是与天气无关的。即使一年中每天都在下雨，空气湿度持续饱和，但如果空压机的干燥性能良好，能够把管路中的相当温度降低到35%以下，就不会造成用风管路大量积水的问题。

(2) 动车组的主空压机是一个很重要且很脆弱的核心部件，相当于制动系统的心脏，给车组源源不断的提供着血液即压缩空气。如果日常不注意保养空压机，就会出现问题，所以空压机的保养一定要按标准执行到位。

(3) 通过对空压机的使用经验积累和耗油量标准的分析，对SL22型空压机的滤油滤水性能进行了标准量化，即0.56 cm3/h。这在此前是没有此标准的，只能通过看外观、听异响等方法来判定其好坏，判定结果个体差异很大，且只有在问题严重时才会发现，在发现问题时已经对下游的用风设备造成了不可逆的损伤。通过此标准的制定，能更快更好的判定空压机的性能，并采取“早治疗”的方式大大降低了故障影响。