延迟焦化装置富气压缩机轴弯曲事故分析

杜晓吉，刘玉平

（陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司，陕西榆林 719319）

1 设备概况

延迟焦化装置富气压缩机为双螺杆压缩机，设计参数见表1。

表1 压缩机设计参数

2 故障现象

压缩机运行过程中因电气原因跳车，再次启车后，压缩机机体振动剧烈，随后按程序停机，对压缩机进行解体检查。现场检查发现:①阳转子变速齿轮平键沿水平面剪切断裂；②阳转子靠吸入侧气封处，轴弯约0.11 mm；③阳转子轴颈与气封均严重磨损。图1 为切断后的阳转子平键断裂，图2 为阳转子轴颈磨损情况，图3 为阳转子SRM 型线靠吸入侧磨损情况，图4 为阳转子吸入侧气封处轴颈磨损情况，图5 为阳转子机壳吸入侧气封严重磨损情况，图6 是富气压缩机出口配管。

3 原因分析

3.1 平键剪切断裂分析

3.1.1 平键材料确定

由于现有的光谱仪只能分析合金元素，无法对钢中的碳元素准确定量，现场用火花签别法初步确定平键材料。

（1）低碳钢（20#）火花:花量极少，芒线二、三叉而呈星形，花角狭小，流线带红色而稍暗，火束细长，全体带红色。

（2）中碳钢（30#～45#）火花:芒线十数叉而花头形尖，呈星形，在花尖上有小花及花粉发生，花数约占全体1/2 以上，火束较低碳钢稍明亮而粗，火花盛开。

（3）现场签别，接近于低碳钢而非常用的45#钢，在相关手册中，只找到45#的在冲击载荷下的许用剪应力[τ]，而找不到剪应力的极限值，综合前面材料因素，暂以许用剪应力替代极限剪应力进行计算。

3.1.2 平键折断时的转矩、电机功率、电机电流计算

图1 切断后的阳转子平键断裂

图2 阳转子轴颈磨损

图3 阳转子SRM 型线靠吸入侧磨损

（1）平键折断时的转矩T=（S-S1）×[τ]×（D/2）。其中，T 是平键折断时转矩，N·m；S 是平键横载面积，m2；S1是平键工艺螺栓孔横载面积，m2；[τ]是极限剪应力，MPa；D 是轴的直径，m。

（2）电机功率P=T×ω。其中，P 是平键折断时电机功率，不考虑效率，kW；ω 是转速。

（3）电机电流I=P/（1.732×U×ψ）。I 是平键折断时电机电流，A；U 是电机电压，V；ψ 是功率因素，取值0.85。

平键折断时的转矩、电机功率、电机电流的计算结果见表2。

对Y 系列三相异步电动机，在JB/T 10391—2002 《Y 系列三相异步电动机》标准中有明确规定，电机的堵转电流与额定电流之比大致如下（该值按小功率电机选取，电机功率较大时，其值应适当下调）:同步转速3000 r/min 时，堵转电流与额定电流之比为7.0；同步转速1500 r/min 时，堵转电流与额定电流之比为7.0；同步转速1000 r/min 时，堵转电流与额定电流之比为6.5[1]。

因存在特殊工况原因，导致转矩上升到前述值，当电机再启动时，可在很短时间内将平键切断。

图4 阳转子吸入侧气封处轴颈磨损

图5 阳转子机壳吸入侧气封严重磨损

图6 富气压缩机出口配管

表2 转矩、电机功率、电机电流计算结果

3.2 压缩机转子转矩、电机功率增大原因分析

螺杆压缩机阳阴转子工作原理[2]与往复压机相同，阴转子相当于气缸，阳转子相当于活塞，其气流方向与转子轴线有一个较大的角度，对转子有较大径向分力。

螺杆压缩子阴、阳转子工作过程为吸气、压缩、排气3 个过程。在压缩过程中其密封腔是封闭的，通过容积不断减小，提高气体压力至额定值后，进入排气过程。

正常工作过程中，为降低排气温度，冷却转子，在压缩机入口端设置有喷淋装置，进行喷水冷却。

水是液体，压缩系数很小，在工程上认为是不可压缩的。如果在启车阶段，压缩机机体内存有大量的水，则在压缩阶段随着密封容积的减小，压力会上升到非常高的数值（如果此时系统有较高的背压，而压缩机出口至入口回路阀门未开或未全开，更加剧此种现象）。不可压缩的流体只能从顶间隙、侧间隙、泄漏三角形等微小缝隙处以声速或近于声速流出，造成转子振动，同时过大的径向力产生的弯矩足以将转子压弯，使转子与壳体相碰，造成故障。此时压缩机瞬间轴功率和转矩非常高，远远超过电机功率和平键所能承受的极限转矩。

3.3 机体冷却液积存原因分析

从图6 现场设备配管情况分析，由于出口分液罐和富气压缩机相对位置存在问题，分液罐的入口标高比压缩机出口高，导致压缩机出口管线成U 形弯状。停车时，出口管道的余压会将水压入压缩机壳体内，如没有较高的气速，水基本充满后方流入分液罐，此种状态下启机，极易造成压缩机轴弯故障。

螺杆压缩机是运行非常稳定的设备，只要保障油、水系统就可以保证运行稳定。

多起螺杆压缩机故障的原因几乎全是水系统的问题。以前对断水、缺水有较高的警惕性，对压缩机喷淋水过滤器压差及排气温度控制得非常严格。但在启车阶段，机体内存在大量的水而未作处理，其危害可能更大。

3.4 其他原因分析

富气压缩机阴、阳转子SRM 型线磨损，只是在阳转子靠吸入侧有少许擦伤，根据以往经验分析，可以基本排除喷淋水中断和入口过滤器堵塞导致吸入口真空等原因。

压缩机带压启动时，出口管路系统尚有较高的背压，压缩机出口至入口回路阀门未打开，电机的启动电流会非常高，也会出现前述的现象。在压缩机操作法中，对此有明确的规定，除非误操作，否则不会出现此类情况。

4 结论

综上所述，该富气压缩机事故主要原因是安装过程中未能充分保障分液罐与机体高差，导致停机状态下机内存水未能排出，压缩机带液启动，发生损坏。

5 处理方案

除按规程修复压缩机主机外，采取下述措施避免同类事故的发生:

（1）降低出口分液罐安装高度，保障其与压缩机本体出口具有合适高差，保障机体内冷却液及时排出。

（2）重新配管，压缩机本体出口端避免出现U 形管路而导致积液。

（3）启机前保证分液罐留有充足储液空间，防止管路带液。