葛建剛　李星星　古自強（中國石油西部管道公司生產(chǎn)運行處，新疆烏魯木齊 830011）

西二線西段壓縮機組關(guān)鍵故障分析

葛建剛李星星古自強
（中國石油西部管道公司生產(chǎn)運行處，新疆烏魯木齊 830011）

2001年西氣東輸管道的建設，拉開了我國天然氣管道大規(guī)模建設的序幕，本文主要結(jié)合西氣東輸二線西段管道壓縮機組典型故障的現(xiàn)象，進行了系統(tǒng)的總結(jié)分析，明確了壓縮機組發(fā)生故障主要原因及后續(xù)處理的具體措施和改進建議，提高了壓縮機的可靠性和使用壽命，旨在保證天然氣平穩(wěn)、高效輸送。為后續(xù)管線壓縮機組的運維提供了有效的借鑒。

釬焊 怠速 齒輪箱 孔探 摩擦副

1　概述

西二線西段所轄共14座壓氣站46臺大型離心壓縮機組，其中包括GE公司P G T 25+S A C/P CL 8 0 0系列燃驅(qū)機組2 8臺、R R公司RB211/R F2BB36系列燃驅(qū)機組6臺、電驅(qū)機組12臺（TME IC/PCL800系列機組9臺，TMEIC/H1156沈鼓機組3臺）。

自2010年7月西二線霍爾果斯、紅柳站壓縮機組開始投產(chǎn)測試，2011年12月完成最后一臺精河站壓縮機組的投產(chǎn)測試。截止2014年12月31日，西二線西段壓縮機組累計運行時間512056小時，2015年開始，機組將陸續(xù)進入中修周期。

西二線西段壓縮機組投運至今，因設計、現(xiàn)場安裝調(diào)試、運維等各方面原因，出現(xiàn)了一些導致設備返廠維修的關(guān)鍵故障缺陷。為了更好地總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗，以下對發(fā)生的關(guān)鍵故障進行系統(tǒng)總結(jié)分析。

2　關(guān)鍵故障失效統(tǒng)計

西二線西段壓縮機組自投產(chǎn)至今，累計發(fā)生各類導致壓縮機組直接失效的關(guān)鍵設備故障9起，主要集中在燃氣發(fā)生器本體嚴重損傷，另外，煙墩站RR離心壓縮機平衡氣管線崩脫導致設備嚴重損傷、紅柳站GE燃機齒輪箱損傷做為關(guān)鍵故障也各發(fā)生一起。詳細情況如下表1所示。

從統(tǒng)計結(jié)果看，盡管因輸氣輸量限制，西二線西段壓縮機組投產(chǎn)后，在24個月內(nèi)的合同約定質(zhì)保期內(nèi)，機組發(fā)生關(guān)鍵故障時的累計運行時間存在較大差異性，但主要發(fā)生在機組累計運行時間8000小時以內(nèi)。

表1　西二線西段壓縮機組投產(chǎn)至今關(guān)鍵故障統(tǒng)計一覽表

表2　關(guān)鍵故障原因分類統(tǒng)計一覽表

從機組關(guān)鍵故障原因來看，產(chǎn)品質(zhì)量缺陷是導致設備關(guān)鍵故障的主要原因，占比達到56%。其次，設計缺陷也占有較大因素，由此導致關(guān)鍵故障失效率達到22%。在安裝質(zhì)量、運維及設計因素也各導致一次關(guān)鍵失效故障，分別是瑪納斯站2#機組現(xiàn)場安裝過程中，在油沖洗時回裝錯誤導致一次單向閥閥芯密封“O”型圈斷裂堵塞軸承供油嘴，進而導致GG被迫返廠維修；霍爾果斯4#機組合成油泄漏進入壓氣機空心軸內(nèi)部，導致水洗后烘干啟機過程中振動高高，保護延時設計過長導致2-13級動葉葉尖嚴重磨損。

從機型看，關(guān)鍵故障主要發(fā)生在燃驅(qū)機組，其中，GE燃驅(qū)機組發(fā)生5次，RR燃驅(qū)機組發(fā)生4次。GE機組關(guān)鍵故障主要發(fā)生在產(chǎn)品質(zhì)量和設計方面，其中設計因素2次、質(zhì)量因素2次；RR機組故障則主要集中在噴嘴供貨質(zhì)量方面控制不嚴，連續(xù)導致噴嘴頭脫落而導致機組高壓、中壓渦輪嚴重損傷。煙墩站3#機組離心壓縮機平衡氣管線緊固螺栓崩脫則說明在機組設計方面存在考慮不周的情況。具體分類如下表2和圖1所示。

3　故障描述及分析

在發(fā)生的9起關(guān)鍵故障中，按照故障原因，可以歸納為四類：產(chǎn)品質(zhì)量、設計、安裝質(zhì)量、運維及設計。以下按照故障原因分類，分別予以詳細分析。

3.1產(chǎn)品質(zhì)量

西二線西段壓縮機組關(guān)鍵故障中，因為產(chǎn)品質(zhì)量因素導致占主要比重，累計9次關(guān)鍵故障中，產(chǎn)品質(zhì)量因素達到5次，占比58%。產(chǎn)品質(zhì)量故障主要細分為兩類：配套備件供貨質(zhì)量和OEM工廠自身加工安裝質(zhì)量。

（1）配套備件供貨質(zhì)量。

該類故障主要為壓縮機組配套的單體部件存在嚴重的質(zhì)量缺陷，由此導致該部件運行中突然失效，進而導致機組設備發(fā)生嚴重機械損傷。投產(chǎn)至今共發(fā)生3起，均為RR燃驅(qū)機組燃料氣噴嘴質(zhì)量缺陷，運行中因此導致噴嘴頭脫落，帶入后續(xù)高壓、中壓渦輪，連續(xù)導致烏蘇站1#、煙墩站3#、1#燃氣發(fā)生器高壓渦輪葉片嚴重損傷掉塊，中壓渦輪動葉出現(xiàn)明顯擊打凹痕等中度損傷，燃氣發(fā)生器被迫返廠維修。

在對故障機組噴嘴序列號進行系統(tǒng)排查后，發(fā)現(xiàn)故障噴嘴序列號均以K08、K09開頭，經(jīng)RR公司調(diào)查供貨信息，確認以上批次產(chǎn)品為同一廠家供貨，目前西段一線、二線共涉及到7臺機組，其中烏蘇站1#、煙墩站1#、3#機組運行中噴嘴頭脫落導致GG返廠維修，未更換仍在運機組共4臺：烏蘇站2、3#、煙墩站2#、山丹站3#機組，均已經(jīng)按照RR公司78#技術(shù)規(guī)范完成全部拆檢、清洗，目前機組處于緊急備用狀態(tài)，待備件更換。

該類故障典型特征為GG運行中突然出現(xiàn)機匣振動瞬間突變甚至直接高高報警跳機，對燃氣發(fā)生器進行孔探檢查時，會發(fā)現(xiàn)高壓渦輪、中壓渦輪動葉出現(xiàn)明顯損傷現(xiàn)象，而前端的高壓壓氣機、中壓壓氣機狀態(tài)完好，無任何損傷。對燃燒室孔探檢查，可以發(fā)現(xiàn)部分燃料氣噴嘴異常，拆檢燃料氣噴嘴，可以明顯觀察到噴嘴頭已經(jīng)脫落。具體如圖2和圖3所示。

經(jīng)最終排查分析，確認故障機組燃料氣噴嘴為同一廠家提供產(chǎn)品，因噴嘴壓蓋與本體釬焊工藝缺陷，釬焊材料用量不足，導致結(jié)構(gòu)強度不夠，運行中噴嘴頭脫落，依次隨高溫高速氣流帶入后續(xù)的高壓渦輪、中壓渦輪，進而導致高速運轉(zhuǎn)的渦輪葉片出現(xiàn)嚴重擊打損傷。

（2）OEM工廠自身加工安裝質(zhì)量。

在機組成套產(chǎn)品的工廠加工、安裝中，也可能存在控制工序的誤差導致出現(xiàn)設備隱患。在西二線西段共發(fā)生兩起相關(guān)的設備故障，分別是紅柳站2#機組投產(chǎn)后初期的輸入齒輪箱雙聯(lián)止推軸承保持架碎裂、軸承滾珠嚴重損傷，導致相應的輸入齒輪箱（IGB）、傳動齒輪箱（TGB）、附件齒輪箱（AGB）磨損，齒輪箱整體返廠維修；精河站1#機組孔探檢查發(fā)現(xiàn)燃氣發(fā)生器高壓壓氣機第16級動葉四個葉片有明顯缺陷，其中三個葉片葉根部位有裂紋，現(xiàn)場拆解并予以更換。

對于齒輪箱的損傷，典型故障為軸承回油監(jiān)控的碎屑檢測器運行中突然報警，并在很短時間內(nèi)導致合成油回油過濾器差壓報警，回油壓力因過濾器的堵塞而迅速升高。拆檢可以發(fā)現(xiàn)碎屑檢測器濾網(wǎng)有明顯的金屬碎屑、顆粒。具體如圖4、圖5、圖6所示。

IGB軸承保持架及滾珠軸承損傷的原因目前仍有一定爭議，但根據(jù)目前技術(shù)分析，判斷可能原因如下：

1）IGB止推軸承保持架可能存在設計缺陷及軸承質(zhì)量問題，存在提前疲勞跡象；

2）軸承潤滑噴嘴嘴潤滑油量不足，導致相關(guān)軸承潤滑不良，長期運行在高溫狀態(tài)下（流量測試低于指標要求）；

3）部分部件緊固力矩超標且不均勻，由此導致相關(guān)位置軸承及齒輪軸非水平和不同心過載運行，加劇設備磨損。

綜合而言，IGB雙聯(lián)并聯(lián)止推軸承可能存在質(zhì)量缺陷，其工廠安裝中也存在一定安裝質(zhì)量缺陷，由此導致以上故障的發(fā)生。

精河站1#機組燃氣發(fā)生器高壓壓氣機第16級動葉缺陷，主要為在工廠的加工、安裝、測試中質(zhì)量控制出現(xiàn)偏差的結(jié)果。在后續(xù)孔探排查中，未發(fā)現(xiàn)0-15級動葉有任何損傷，入口無進入異物的跡象，拆解后確認共4片葉片存在缺陷，其中3片為葉根出現(xiàn)裂紋、斷裂掉塊，1片為排氣邊出現(xiàn)凹坑且超標。若不及時處理，后續(xù)運行中將可能導致葉根出現(xiàn)裂紋的葉片出現(xiàn)斷裂，進而對后續(xù)高壓渦輪葉片產(chǎn)生嚴重損傷。因及時發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場對缺陷葉片進行了更換，相關(guān)信息如圖7所示。

3.2設計因素

設計因素導致的關(guān)鍵故障主要在于控制邏輯缺陷及設備動力學計算方面，由此分別導致西二線霍爾果斯4#機組編號641-211的燃氣發(fā)生器高壓壓氣機動葉嚴重損傷、煙墩站3#機組運行中離心壓縮機平衡氣管線因高頻振動緊固螺栓斷裂，離心壓縮機轉(zhuǎn)子及配套軸承、密封等嚴重損傷。

霍爾果斯4#機組編號641-211的燃氣發(fā)生器壓氣機5-16級動葉嚴重損傷，主要原因為壓氣機發(fā)生喘振。在對機組運行數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析后，確認因為VSV反饋信號電纜支撐不規(guī)范，導致運行中VSV位置反饋信號丟失，因為燃機控制邏輯設計錯誤，在兩只反饋信號全部丟失時，原有邏輯直接發(fā)出VSV關(guān)閉指令，由此直接導致高負荷運行的壓氣機發(fā)生喘振，最終導致葉片的嚴重損傷。在系統(tǒng)分析后，2013年完成全線GE燃驅(qū)機組控制程序的升級，新邏輯在VSV反饋信號全部丟失后，將觸發(fā)燃機進入怠速模式，進而消除了發(fā)生喘振的風險，同時優(yōu)化了燃機熱啟及正常停機暖機的邏輯，提高了設備保護的可靠性。對于航空電纜的固定，則全線進行了優(yōu)化，加裝了專門的固定支架，相應信號虛接現(xiàn)象大幅降低。相關(guān)圖8所示。

西二線西段RR燃驅(qū)機組離心壓縮機平衡氣管線運行中，檢測管線存在較明顯的高頻振動，對西一線機組進行振動檢測，則未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。在2013年5月煙墩站3#機組運行中平衡氣管線高壓側(cè)緊固螺栓突然斷了崩脫，導致天然氣大量泄漏，并由此導致離心機轉(zhuǎn)子軸向力瞬間發(fā)生相反的巨大變化，第二級葉輪直接與出口導流葉片刮擦粘死，驅(qū)動端干氣密封因軸向串動量過大，超過干氣密封允許的最大軸向串動量（3mm左右）而導致動靜環(huán)摩擦副嚴重磨損失效，推力軸承副推力瓦嚴重磨損等，平衡鼓氣封嚴重磨損并粘連，機芯因此無法抽出，最終被迫破壞平衡鼓抽芯返廠維修。損傷情況如圖9，圖10，圖11，圖12，圖13，圖14所示。

針對該故障，在對全線RR離心壓縮機進行排查后，確認僅西二線西段6臺機組平衡氣管線緊固螺栓存在不同程度損傷。在進行振動檢測分析后，發(fā)現(xiàn)平衡氣管線整體存在較高頻率的振動，特別在低壓側(cè)彎頭處尤其明顯。經(jīng)過評估，在平衡氣管線處增加一處固定支撐，再次檢測高頻振動明顯降低。從螺栓斷裂的失效分析看，明確螺栓為疲勞斷裂。

3.3安裝質(zhì)量因素

西二線西段瑪納斯站2#機組運行中合成油供油壓力高高報警跳機，系統(tǒng)排查合成油過濾器、外部油路未發(fā)現(xiàn)異常，更換五單元油泵后啟機，隨轉(zhuǎn)速增加，合成油供油壓力正比增加，接近聯(lián)鎖保護值，且對應的4#軸承回油溫度明顯偏高，手動停機。后經(jīng)通過吸塵器對GG供油管路進行處理，抽出斷裂的“O”型圈，進而對油路進行再次排查，發(fā)現(xiàn)合成油供油管路過濾器出口單向閥“O”型圈缺失，由此導致其進入合成油供油管路，堵塞4#軸承供油嘴。

因瑪納斯2#機組投運后還未進入保養(yǎng)周期，現(xiàn)場不存在拆卸的可能性，經(jīng)與GE現(xiàn)場確認，確定為機組調(diào)試油洗期間，拆卸單向閥，并在油洗合格后回裝時，也可能為工廠裝配錯誤，導致以上故障發(fā)生。如圖15，圖16，圖17，圖18。

鑒于現(xiàn)場依次通過專用孔探儀檢查，無法發(fā)現(xiàn)堵塞的“O”圈殘留部分，且現(xiàn)場嘗試無法有效取出，故將燃氣發(fā)生器整體返廠送修，在2013年5月份完成檢修返回現(xiàn)場備用。

另一方面，立即對全線GE燃驅(qū)機組合成油管路單向閥進行拆檢，由此發(fā)現(xiàn)西二線連木沁站2#機組也存在類似裝配錯誤情況，及時予以更正處理。

由本次事件總結(jié)來看，機組定期保養(yǎng)中，對于合成油供油管路單向閥，應進行必要的檢查，作業(yè)人員必須明確掌握正確的裝配方式，對于發(fā)現(xiàn)密封件損傷的情況，立即予以更換處理。對于合成油供油、回油壓力異常報警，應從系統(tǒng)上更為細致的予以分析排查。

3.4運維及設計因素

西二線霍爾果斯4#機組編號641-217的燃氣發(fā)生器為代儲庫備用GG，因2012年12月原先燃氣發(fā)生器因VSV控制邏輯缺陷導致壓氣機喘振損傷壓氣機后，調(diào)用該臺燃氣發(fā)生器更換投用。2014年5 月8日在水洗后烘干啟機的過程中，燃氣發(fā)生器因GG機匣振動高高聯(lián)鎖跳機。進行孔探檢查時，發(fā)現(xiàn)壓氣機2-13級動葉葉片葉尖及2-6級可調(diào)靜葉葉頂與轉(zhuǎn)子存在較為嚴重的磨損現(xiàn)象，燃氣發(fā)生器被迫返廠維修。如圖19和圖20所示：

系統(tǒng)檢查，未發(fā)現(xiàn)外部進入異物的跡象，進一步拆檢，發(fā)現(xiàn)壓氣機空心軸內(nèi)部存在明顯的進油現(xiàn)象。如圖21所示：

通過趨勢檢查，確認合成油手閥在機組保養(yǎng)期間的8天時間內(nèi)始終處于開啟狀態(tài)。經(jīng)系統(tǒng)分析，確認合成油通過油箱-合成油泵-附件齒輪箱-傳動齒輪箱-輸入齒輪箱-3#軸承密封氣進氣口進入壓氣機空心軸內(nèi)部，由此導致轉(zhuǎn)子動平衡的破壞，高速運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子與靜子部件的摩擦，進而損傷葉片。這也反應出設計上未能充分消除潛在隱患風險，對于合成油系統(tǒng)的設計存在不足。如圖22所示。

另一方面，由振動保護邏輯看，設計上存在延時不當?shù)膰乐貑栴}，進一步核查ESD控制邏輯，確認GE燃驅(qū)機組振動及超速保護停機聯(lián)鎖均在HIMA中存在15秒延時，在Bently組態(tài)中有4秒延時，總計19秒延時，保護延時明顯過長不合理，無法啟動保護設備安全的作用。ESD保護邏輯圖23和圖24所示。

因為延時過長，振動保護未能及時動作，進而導致壓氣機葉片嚴重磨損。

4　經(jīng)驗總結(jié)

從以上西二線西段壓縮機組關(guān)鍵故障的分析來看，需要對以下方面進行總結(jié)和思考：

（1）對于新機組的采購，必須在技術(shù)規(guī)格書的評審階段，做好把控，結(jié)合以往運維經(jīng)驗，及時明確相應的技術(shù)細節(jié)要求，杜絕和消減以往缺陷和潛在風險。同時，現(xiàn)有新機組招投標階段，必須提高屬地方的把控權(quán)限，切實將合理、寶貴的運維經(jīng)驗融入新機組的技術(shù)指標規(guī)范中；

（2）必須細化壓縮機組自安裝、調(diào)試、運行、維護檢修全過程的管理規(guī)范，全面介入全過程的管控?，F(xiàn)有的建管模式，對于設備的現(xiàn)場安裝、調(diào)試階段在屬地管理上存在一定缺失，監(jiān)管更多地局限在監(jiān)理層面，對最終設備的長周期全壽命運維可能會導致一定的隱患，應全面推行屬地單位關(guān)鍵節(jié)點質(zhì)量驗證措施；

（3）切實落實新機組的質(zhì)量驗收，重視新機組投產(chǎn)測試后設備本體質(zhì)量檢驗，在做好投產(chǎn)測試運行監(jiān)控參數(shù)的分析同時，及時開展諸如燃氣發(fā)生器孔探檢查、關(guān)鍵部件目視檢查等工作，及早發(fā)現(xiàn)潛在隱患；

（4）合理調(diào)配機組運行方式，盡可能在質(zhì)保期內(nèi)做好新機組的運行考核，并對相關(guān)質(zhì)保商務條款進行必要評估，不斷優(yōu)化細化相關(guān)條款，切實保障自身利益；

（5）不斷提高員工業(yè)務素質(zhì)，提高故障的系統(tǒng)化分析能力，及時建立和完善系統(tǒng)化分析平臺，對于異常報警及參數(shù)變化，及時開展系統(tǒng)化分析。對于典型故障，實施完善和修訂相應的操作運維規(guī)程，并及時開展必要的經(jīng)驗分享；

（6）重視基礎管理，做好轉(zhuǎn)動設備振動監(jiān)控與分析、滑油系統(tǒng)的定期分析、維護等基礎工作，切實提高設備運行環(huán)境。

［1］陳林根，吳晏，孫豐瑞.燃氣輪機循環(huán)有限時間熱力學分析：理論和應用［J］.燃氣輪機技術(shù)，2001年01期.

［2］殷豪，孟安波，彭顯剛.大型燃氣輪機檢修策略的研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2009，04：36-38.

葛建剛，男，漢族，新疆烏魯木齊人，畢業(yè)于蘭州大學化學系有機化學專業(yè)，理學學士學位，現(xiàn)工作于中國石油西部管道公司，生產(chǎn)運行處、工程師，研究方向：壓縮機運行。