任護(hù)國(guó)，袁宗澤，黃智強(qiáng)

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心技術(shù)勤務(wù)站，四川綿陽(yáng) 621000）

0 引言

某高壓空氣站5套美國(guó)卡麥隆（CAMERON）CFA34型活塞式空壓機(jī)組，前級(jí)經(jīng)阿特拉斯GR200W-20型螺桿機(jī)增壓至1.9 MPa，四級(jí)壓縮，流量 45 m3/min，排氣壓力 32 MPa，2012年7月陸續(xù)投入運(yùn)行。2016年8月29日，2#壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中突然發(fā)生三級(jí)排氣管道內(nèi)部燃爆，所幸未造成其他設(shè)備損失和人員受傷情況。

1 CFA34型空壓機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 技術(shù)參數(shù)

CFA34型空壓機(jī)為四列對(duì)稱(chēng)平衡式結(jié)構(gòu)（圖1），主要技術(shù)參數(shù)：排氣量（入口狀態(tài)）45 m3/min；氣缸分布，1列（螺桿1 3/4級(jí)，3英寸/1.5英寸），2列（螺桿2 2級(jí)，3.875英寸），3列（螺桿3 3/4級(jí)，3英寸/1.5英寸），4列（螺桿4 1級(jí)，5.125英寸）1級(jí)吸氣壓力1.9 MPa；各級(jí)排氣壓力3.9/8.6/21/32 MPa；各級(jí)排氣溫度142/140/148/92℃；電機(jī)10 kV，355 kW，1490 r/min。

圖1 CFA34壓縮機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)

1.2 工藝流程

壓縮機(jī)組由2臺(tái)GR200W-20螺桿式壓縮機(jī)、1臺(tái)CFA34活塞式壓縮機(jī)組成，單臺(tái)螺桿機(jī)最大流量23.1 m3/min，最大排氣壓力2.05 MPa。壓縮機(jī)組工藝流程：大氣經(jīng)螺桿機(jī)空氣過(guò)濾器清除空氣中的粉塵后，經(jīng)兩級(jí)螺桿壓縮、過(guò)濾（除油）、冷卻、分離（除水）進(jìn)入CFA34壓縮機(jī)一級(jí)氣缸，壓縮后經(jīng)排氣緩沖器、冷卻器、分離器、二級(jí)進(jìn)氣緩沖器進(jìn)入二級(jí)氣缸，壓縮后經(jīng)排氣緩沖器、冷卻器、過(guò)濾器、三級(jí)進(jìn)氣緩沖器進(jìn)入三級(jí)氣缸，壓縮后經(jīng)排氣緩沖器、冷卻器、過(guò)濾器、四級(jí)進(jìn)氣緩沖器進(jìn)入四級(jí)氣缸，壓縮后經(jīng)排氣緩沖器、冷卻器、過(guò)濾器進(jìn)入最終排氣總管。三、四級(jí)氣缸為級(jí)差式結(jié)構(gòu)，中間設(shè)平衡腔，缸內(nèi)的高壓空氣經(jīng)活塞體泄漏的部分氣體進(jìn)入平衡腔，經(jīng)缸體內(nèi)部通道進(jìn)入三級(jí)進(jìn)氣，經(jīng)三級(jí)氣缸再次壓縮。各級(jí)排氣管線均設(shè)有自動(dòng)排污閥、安全閥，二級(jí)排氣管線設(shè)有手動(dòng)放空閥，四級(jí)排氣管線設(shè)流量裝置、單向閥，四級(jí)放空管線設(shè)自動(dòng)放空閥、手動(dòng)放空閥和消音器。

2 事故原因分析

發(fā)生燃燒必須具備3個(gè)要素：助燃物、可燃物、著火點(diǎn)[1]?？諝鈮嚎s機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，空氣中充足的氧氣是助燃物，注入的潤(rùn)滑油是可燃物，壓縮過(guò)程產(chǎn)生的高溫是著火點(diǎn)。以上情況為壓縮空氣在管內(nèi)燃燒提供了基本條件，著火部位導(dǎo)致局部產(chǎn)生高溫高壓，甚至可能產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)。

參考國(guó)內(nèi)外對(duì)壓縮空氣在壓縮機(jī)本體、輸送管路、冷卻器、儲(chǔ)氣罐及一些盲管和死區(qū)等部位發(fā)生燃爆事故的研究成果，普遍認(rèn)為，積炭及潤(rùn)滑油的分解物是燃爆的根本原因，高溫是引起燃爆的誘因。

2.1 事故經(jīng)過(guò)

8月29日上午，2#壓縮機(jī)組正常啟動(dòng)，各級(jí)壓力、溫度等技術(shù)參數(shù)未出現(xiàn)異常。10：49，活塞式壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制柜聲光報(bào)警器動(dòng)作，2～3 s后，三級(jí)排氣管道內(nèi)部發(fā)生燃爆，三、四級(jí)排氣管路安全閥脫落，斜向飛出5～6 m遠(yuǎn)，三級(jí)安全閥螺紋連接口處有大量火花噴出，四級(jí)安全閥螺紋連接口處有大量氣流噴出，壓縮機(jī)自動(dòng)停車(chē)（圖2）。

圖2 壓縮機(jī)排氣管道燃爆事故現(xiàn)場(chǎng)

2.2 受損情況分析

事故發(fā)生后，及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了封閉，檢查設(shè)備受損情況如下：①三級(jí)排氣管在氣流的反沖下嚴(yán)重變形，三四級(jí)排氣管安全閥接口螺紋損壞；②三、四級(jí)安全閥損壞；③三級(jí)過(guò)濾器濾芯嚴(yán)重?zé)龘p（圖3）。

技術(shù)人員及時(shí)趕到事故現(xiàn)場(chǎng)，采用熱成像儀記錄了壓縮機(jī)本體及管路溫度分布情況，調(diào)取實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和故障發(fā)生實(shí)時(shí)錄像，對(duì)故障現(xiàn)場(chǎng)及管路受損情況等拍照取證，送檢在用潤(rùn)滑油，拆檢三、四級(jí)氣閥、氣缸、活塞，檢查對(duì)三、四級(jí)進(jìn)排氣管道、過(guò)濾器等。檢查發(fā)現(xiàn)：①三級(jí)排氣閥及管路積炭嚴(yán)重（圖4）；②熱成像溫度分布顯示三級(jí)排氣管道局部溫度較高（圖5）；③從高位油箱放出的氣缸及填料用潤(rùn)滑油果凍狀凝結(jié)，顏色呈棕紅色，有異味。

圖3 設(shè)備受損情況

圖4 積炭情況

2.3 原因分析

發(fā)生燃爆的部位在三級(jí)排氣管道，管道內(nèi)的沉積物主要有積炭、潤(rùn)滑油、灰塵等。分析認(rèn)為，造成事故的主要原因是管道內(nèi)積炭嚴(yán)重[2]。

2.3.1 積炭形成機(jī)理

在高壓高溫作用下，壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的潤(rùn)滑油、空氣中的塵粒、活塞與缸壁磨損粉塵等會(huì)被氧化成氧化聚合物，沉積在排氣管道的金屬表面，形成積炭。而積炭層會(huì)蓄積熱量，使溫度升高，如果熱量不能被及時(shí)帶走或散發(fā)，就會(huì)引起局部過(guò)熱，加快氧化反應(yīng)，溫度進(jìn)一步上升。

2.3.2 積炭的危害

積炭和積炭上的潤(rùn)滑油蒸發(fā)和分解后，會(huì)產(chǎn)生裂化輕質(zhì)碳化氫和游離炭，形成大量的爆炸性氣體[3]，當(dāng)達(dá)到臨界溫度時(shí)，便會(huì)發(fā)生燃燒和爆炸。當(dāng)積炭厚度達(dá)到一定程度時(shí)，有自燃的危險(xiǎn)。積炭的厚度影響自燃溫度極限值，有研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)積炭厚1 mm，自燃溫度極限值160℃；積炭厚2 mm，自燃溫度極限值150℃；積炭厚3 mm，自燃溫度極限值115℃。

影響積炭形成的因素有壓縮機(jī)的運(yùn)行情況、外在環(huán)境以及潤(rùn)滑油的供油量、排氣溫度、黏度等。管道運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，積炭層厚度越大。

2.3.3 潤(rùn)滑油與積炭的關(guān)系

導(dǎo)致空壓機(jī)燃燒或爆炸的燃燒物是潤(rùn)滑油，因此有必要對(duì)潤(rùn)滑油與積炭形成、產(chǎn)生燃爆關(guān)系進(jìn)行分析。

（1）注入量。潤(rùn)滑過(guò)量造成不必要的潤(rùn)滑油進(jìn)入氣缸、管道，會(huì)加速積炭的形成，而加入量過(guò)小則易造成壓縮機(jī)氣缸潤(rùn)滑不足，使活塞與缸壁摩擦部位溫度急劇升高，形成積炭。

（2）黏度。黏度大的潤(rùn)滑油密封性良好，容易形成積炭；低黏度的潤(rùn)滑油易揮發(fā)，容易形成霧狀隨氣體一起帶走，一般形成積炭的時(shí)間要長(zhǎng)一些[4]。

（3）抗氧化性。潤(rùn)滑油的抗氧化性越高，潤(rùn)滑油就越穩(wěn)定，越不易被裂解。

（4）水分。潤(rùn)滑油中的水分過(guò)多，會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱水蒸氣，管網(wǎng)中的積炭會(huì)吸附過(guò)熱水蒸氣，散發(fā)熱量，使局部溫度升高。

（5）閃點(diǎn)。壓縮機(jī)潤(rùn)滑油的閃點(diǎn)一般在190～260℃，自燃點(diǎn)在380～430℃，閃點(diǎn)的高低對(duì)燃爆影響不大，只有當(dāng)溫度達(dá)到自燃點(diǎn)時(shí)，油蒸汽才會(huì)燃燒和爆炸。

（6）溫度。溫度越高，潤(rùn)滑油氧化速度越快。

（7）壓力。提高壓縮空氣的壓力，相當(dāng)于增大潤(rùn)滑油與空氣的接觸面積，可加速潤(rùn)滑油的氧化[5]。

壓縮機(jī)組投入運(yùn)行已經(jīng)有4年多，從其日常檢修維護(hù)資料可分析得到如下信息：2016年3月以前，壓縮機(jī)的積炭較少，從進(jìn)排氣閥觀察，在表面附著有液態(tài)油，閥腔底部有沉積的液態(tài)油水混合物；2016年2月，對(duì)5套壓縮機(jī)組進(jìn)行了全面維護(hù)檢修，更換了新的潤(rùn)滑油，減小了注油量。對(duì)比燃爆發(fā)生前后潤(rùn)滑油的使用情況：以前的潤(rùn)滑油顏色呈淡藍(lán)色，清澈透明，無(wú)異味，自然下滴呈細(xì)線狀，送檢運(yùn)動(dòng)黏度為88 mm2/s（100℃）；在用潤(rùn)滑油顏色呈棕紅色，混濁，有異味，自然下滴呈單滴狀，送檢運(yùn)動(dòng)黏度為 51.9 mm2/s（100 ℃）。

綜上所述，本次事故的主要原因與潤(rùn)滑油的注入量和質(zhì)量有關(guān)。

圖5 熱成像溫度分布情況

3 處理情況

根據(jù)事故原因分析，對(duì)5套機(jī)組進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)其他各套機(jī)組均存在較為嚴(yán)重的積炭現(xiàn)象。因此采取了如下處理措施。

（1）對(duì)氣缸、氣閥、管道進(jìn)行全面清洗，清除其表面及內(nèi)部的油污和積炭。

（2）排凈高位油箱及注油管路中的潤(rùn)滑油并進(jìn)行徹底清洗，重新購(gòu)買(mǎi)潤(rùn)滑油進(jìn)行更換。

（3）重新調(diào)整壓縮機(jī)組的注油量。

（4）恢復(fù)運(yùn)行后，單套機(jī)組運(yùn)行達(dá)50～100 h，拆卸氣閥檢查積炭情況，檢查結(jié)果正常。

4 機(jī)組維護(hù)建議

為防止再次產(chǎn)生壓縮空氣燃爆的危險(xiǎn)，運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)采取如下措施。

（1）選擇合適的潤(rùn)滑油。

（2）嚴(yán)格控制氣缸的注油量。

（3）壓縮機(jī)各級(jí)排氣溫度≤160℃。

（4）盡量使壓縮機(jī)連續(xù)、滿負(fù)荷運(yùn)行，因?yàn)榭肇?fù)荷/間隙運(yùn)行更容易使?jié)櫥统练e。

（5）開(kāi)啟放空卸壓時(shí)一定要緩慢。因?yàn)榻档拓?fù)荷時(shí)積炭未受到足夠氣流的冷卻，容易使溫度升高，進(jìn)而引發(fā)事故。

（6）加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控，尤其是各級(jí)排氣溫度的變化。

（7）定期檢查氣閥，觀察積炭情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后要及時(shí)清洗氣閥、管道等。

（8）定期檢查冷卻器后過(guò)濾器，積油過(guò)重時(shí)要及時(shí)清洗，發(fā)現(xiàn)有破損時(shí)要進(jìn)行更換。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)一起因積炭而發(fā)生的排氣管道燃爆事故，重點(diǎn)分析積炭形成和燃爆的機(jī)理，得出事故主要原因與潤(rùn)滑油的注入量、質(zhì)量有關(guān)。通過(guò)改進(jìn)措施，解決了積炭隱患，并提出預(yù)防燃爆事故的可行性措施，為避免事故再次發(fā)生提供了重要參考。

［1］S.Smith，孫開(kāi)濱.壓縮機(jī)使用礦物潤(rùn)滑油著火和爆炸的危險(xiǎn)［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，1992（5）：11-20.

［2］孟松余，劉磊.潤(rùn)滑油是引起空壓機(jī)爆炸的重要原因［J］.中國(guó)科技縱橫，2015（1）：93.

［3］劉慶衛(wèi).空氣壓縮機(jī)的后冷卻器燃燒事故分析［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，1998（3）：21-22.

［4］王梓榮，段吉林，秦馗，等.活塞式空氣壓縮機(jī)積炭問(wèn)題探討［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010（7）：70-72.

［5］穆卓樞，趙慧宏，李艷秋.由積炭引發(fā)的活塞式空壓機(jī)自燃與爆炸問(wèn)題探討［J］.一重技術(shù)，2001（Z1）：167-168.