（首都航天機械有限公司，北京 100076）

1 引言

H280H-WL型高壓壓縮機采用2列對置式結(jié)構(gòu)，四級壓縮，排氣量為190 m3/h，正常供氣壓力25 MPa，作為一臺噪聲較低、運行平穩(wěn)的壓縮機，承擔生產(chǎn)所需高壓壓縮空氣的供應(yīng)工作，但由于產(chǎn)氣量較低，一般只在供氣能力不足時作為補充設(shè)備使用，該型號壓縮機在近兩年內(nèi)只運行200臺時，由于運行較少，該設(shè)備沒有進行較為專業(yè)的養(yǎng)護。2020年2月該壓縮機在運行中排氣壓力達到23 MPa時即出現(xiàn)壓力卸載情況，當設(shè)備重新加載后，故障多次復(fù)現(xiàn)，經(jīng)過技術(shù)員檢查運行歷史數(shù)據(jù)，各級壓力溫度均處于正常范圍，該故障問題直接導(dǎo)致設(shè)備停運。

2 故障診斷

造成壓縮機無法正常加載運行的原因，可歸納為以下幾點：

（1）壓縮機安全附件開啟卸載[1]：包括壓縮機出口截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，安全附件密封面失效，輸氣管道因擠壓變形或異物堵塞，氣閥閥片密封不嚴或受油泥積碳影響彈簧工作等原因，可通過檢查出口截止閥狀態(tài)、檢修故障部位等方式進行判斷。

（2）加減載系統(tǒng)啟動卸載：壓縮機自身在壓力出口管道上安裝有機械式壓力開關(guān)，設(shè)置有壓力高限卸載設(shè)定值和壓力低限加載值，通過線路接入壓縮機自動運行控制系統(tǒng)。壓力開關(guān)因距離壓縮機較近，易因振動導(dǎo)致限位設(shè)置值變化，或是人為設(shè)置限位不合理，可通過檢查自動控制系統(tǒng)進行判斷。

（3）上位機控制系統(tǒng)報警卸載：壓縮機通過上位機工作站受控，通過遠程可實現(xiàn)啟動、停止及故障急停等功能。在上位機控制系統(tǒng)中，會對壓縮機1～4級排氣壓力和溫度、潤滑油壓力、冷卻水壓力以及電機運行參數(shù)設(shè)置報警值，通過采集運行值與報警設(shè)定值進行比對，發(fā)生報警時設(shè)備會自動停機卸載，可通過檢查上位機控制系統(tǒng)中該壓縮機報警設(shè)定值和報警記錄進行判斷。

（4）密封失效[2]：氣缸與活塞間出現(xiàn)密封不嚴，壓縮氣體部分回流，或其缸蓋、冷卻器、管道等部位密封端面可能存在泄漏，可通過檢查壓縮機密封情況進行判斷。

根據(jù)本臺壓縮機運行狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)1～4級安全閥有排氣情況，且通過檢查上位機控制系統(tǒng)中該壓縮機報警設(shè)定值和壓縮機出現(xiàn)加載不正常的運行記錄，未出現(xiàn)報警設(shè)定值偏差和運行報警記錄，排除了壓縮機安全附件開啟卸載和上位機控制系統(tǒng)報警卸載的原因外，壓縮機存在2條卸載途徑：

（1）該壓縮機具備自動運行加載和卸載功能，通過供氣管道上機械式壓力開關(guān)實現(xiàn)，即供氣管道壓力超過26 MPa時，壓縮機會自執(zhí)行卸載動作，確保系統(tǒng)壓力低于各壓力容器設(shè)計承壓能力，避免發(fā)生安全事故，壓縮機所執(zhí)行流程見圖1。

（2）壓縮機各級間采用離心分析法或慣性碰撞法凈化壓縮空氣[3]，為及時排放出壓縮空氣中分離的水分、油、固體雜質(zhì)等，壓縮機每間隔10 min自動進行一次時長10 s的卸載排污，各級壓縮空氣不進入下一級，而是直接通過油水分離器經(jīng)卸載器進入排污管道卸載。

圖1 自動卸載流程

故障原因分析：

（1）該壓縮機在運行中末端排氣壓力達到23 MPa時即出現(xiàn)卸載情況，末端排氣低于23 MPa時則無故障現(xiàn)象，存在壓縮機因運行而產(chǎn)生的振動致使機械式壓力開關(guān)設(shè)定的卸載設(shè)定值出現(xiàn)了偏移，可通過檢查并重新設(shè)定壓力開關(guān)卸載設(shè)定值進行判斷。

（2）壓縮機1～4級卸載排污系統(tǒng)存在問題，可能由排污電磁閥執(zhí)行故障引發(fā)。

（3）4級排氣端各部分存在密封不嚴情況，壓力達到23 MPa即出現(xiàn)密封失效。

（4）由于壓縮機2年內(nèi)僅僅運行200臺時，沒有進行專業(yè)保養(yǎng)維護工作，可能導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。

3 解決方案

3.1 故障檢查

結(jié)合現(xiàn)有的故障現(xiàn)象逐條檢查并分析，對上述可能一一驗證。主要措施如下：

（1）調(diào)整壓力開關(guān)高限卸載設(shè)定值。打開H280H-WL型壓縮機末端供氣管道上機械式壓力開關(guān)，對高限卸載設(shè)定值進行調(diào)整。

為更直觀的體現(xiàn)調(diào)整的結(jié)果，采用運行中在線調(diào)整方法，但不論如何提高高限卸載設(shè)定值，壓縮機均會在末端排氣壓力23 MPa時出現(xiàn)卸載情況，該現(xiàn)象表明調(diào)整機械式壓力開關(guān)的高限卸載設(shè)定值對于排除故障無明顯效果，這其中可能存在兩種假設(shè)：一是該設(shè)備出口端壓力開關(guān)已失效，無法通過調(diào)節(jié)來改變高限卸載設(shè)定值；二是該壓力開關(guān)是有效的，但設(shè)備由于其它原因?qū)е伦詣有遁d。

為了驗證第一種假設(shè)，將該設(shè)備出口端壓力開關(guān)與站內(nèi)一臺運行正常的4TH565W100型壓縮機出口端管道的壓力開關(guān)進行互換，分別運行兩臺進行測試，測試結(jié)果如表1所示，標明該設(shè)備壓力開關(guān)正常，與故障發(fā)生無關(guān)。

（2）清理排污電磁閥。將該壓縮機一、二級排污電磁閥進行清理，但設(shè)備運行仍然在23 MPa壓力下卸載，故障仍然存在。

表1 互換壓力開關(guān)卸載結(jié)果

這里需要簡單介紹一下H280H-WL型壓縮機的排污系統(tǒng)，排污系統(tǒng)可直觀分為兩部分：（1）壓縮機1級油水分離器下端出口管道通過電磁閥直接排放到總排污罐；（2）2至4級油水分離器依次連接到卸載器，共同使用一套排污管道至總排污罐，其工作情況為：當設(shè)備排污時，1級電磁閥從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)為開啟并排污，由于1級壓力降低導(dǎo)致2級排污，以此類推3、4級依次進行排污，這樣通過一個電磁閥的周期性開啟來實現(xiàn)1至4級的油水排放和卸載，連鎖排污系統(tǒng)布局見圖2。

結(jié)合上述故障檢查的結(jié)果，可以判定壓力開關(guān)和電磁閥并未造成設(shè)備非影響設(shè)備加載運行；由于設(shè)備因運行臺時較少，在2年內(nèi)沒有經(jīng)過專業(yè)的保養(yǎng)維護，可能導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)的部件存在磨損或因損壞而導(dǎo)致故障。通過系統(tǒng)分析，能夠?qū)е聣嚎s機在23 MPa運行壓力下卸載原因存在于自動卸載系統(tǒng)的問題，由于自動卸載系統(tǒng)沒有本身只設(shè)定卸載時間和卸載間隔，唯一可能性就存在于卸荷系統(tǒng)中部件出現(xiàn)故障。

圖2 排污系統(tǒng)原理圖

（3）檢修卸載器。根據(jù)卸載系統(tǒng)卸運行原理可知2、3、4級存在連鎖卸載關(guān)系，實現(xiàn)連鎖關(guān)系主要通過卸載器（圖3），從圖中可以看出卸載器中有3個活塞組件，1級壓力作用在卸載器第一個密封腔內(nèi)，通過腔內(nèi)活塞組件受力面積的不同，密封2級油水分離排污管道，而2級通過導(dǎo)氣管密封3級，以此類推；根據(jù)卸載器工作原理可知，系統(tǒng)卸載主要通過卸載器中活塞組件定期對各級油水分離器排污管道從密封狀態(tài)轉(zhuǎn)為不密封狀態(tài)所實現(xiàn)，而不密封狀態(tài)非正常發(fā)生主要有兩種可能，一種是壓縮機某級排氣壓力不足導(dǎo)致下一級活塞組件無法密封，另一種是因為某級活塞組件的密封面因損壞而失去密封效果；根據(jù)實際檢查情況，未發(fā)現(xiàn)除4級以外的壓力異常情況，故可將問題集中到4級活塞組件密封失效。

對卸載器分解檢查，發(fā)現(xiàn)4級活塞組件密封油水分離器排污管道密封面存在明顯損壞（圖4），活塞組件頭部的聚氨酯材料局部破碎，失去密封能力。此外在檢查中，發(fā)現(xiàn)卸載器容納活塞組件的腔體內(nèi)部存在嚴重腐蝕，深度不一，主要集中在中下部。

通過分析可知，造成4級活塞組件密封失效的主要原因：由于該設(shè)備長期運行間隔較長，導(dǎo)致卸載器腔體內(nèi)積存部分凝結(jié)下的油水，當潤滑油、水分和氧共同存在于同一環(huán)境下，潤滑油極易發(fā)生變質(zhì)，進而造成活塞組件的腐蝕[4]，卸載器腔體內(nèi)壁出現(xiàn)不規(guī)則腐蝕區(qū)域，活塞組件上密封O型圈在運動中的阻力增大且分布不規(guī)則，導(dǎo)致活塞組件運行中出現(xiàn)姿態(tài)偏離，活塞組件密封端聚氨酯材料與密封面非正向接觸，造成聚氨酯材料破損，密封效果減弱，當4級壓力達到23 MPa時，大于活塞組件密封壓力，從而出現(xiàn)卸載情況。

3.2 故障處理

基于已確定的故障原因，提出兩條故障處理方法：

（1）活塞組件進行國產(chǎn)化改進設(shè)計。由于壓縮機備件均為進口采購，所需周期較長、價格較高，且原活塞組件主體采用金屬材料，在運動中會與卸載器腔體內(nèi)壁發(fā)生摩擦并造成明顯劃痕，摩擦中產(chǎn)生的金屬顆粒又是油氧化的催化劑，加速了油的氧化[4]，易造腐蝕擴大化。

圖3 卸載器平面圖

活塞組件主體原采用金屬材料，改進后采用聚醚醚酮材料（PEEK），具備以下優(yōu)勢特性：該材料具有高溫流動性好，易于機械加工；耐疲勞性能好，是塑料材料中耐交變應(yīng)力最為出眾的；該材料具有較低的摩擦系數(shù)，在不同的壓力、溫度的環(huán)境下對粗糙的接觸面都具有良好的耐磨性質(zhì)[5]。通過測量原活塞組件尺寸，將端部的聚氨酯球體與主體合為一體，減少了原有裝配密封材料的過程，提升了活塞組件的強度，如圖5所示。

（2）改善卸載器腔體內(nèi)壁。利用細砂紙對腐蝕區(qū)域進行打磨，改善內(nèi)壁狀態(tài)，降低摩擦；為避免卸載器內(nèi)長期積存油水，規(guī)定設(shè)備最大開機間隔不得超過2天。

圖4 受損活塞組件實物圖

圖5 改進后活塞組件平面圖

將加工好后的活塞組件安裝到卸載器內(nèi)，重啟開啟設(shè)備，故障消失，壓縮機運行狀態(tài)良好。分別檢查2級、3級活塞組件，發(fā)現(xiàn)同樣的破損情況，但由于壓力較低，暫未出現(xiàn)問題，采取同樣辦法，對2級、3級活塞組件進行替換，安裝后運行正常。

每個活塞組件所用的聚醚醚酮原材料成本為700元。而從國外進口采購備件需整體采購卸載器（1個卸載器本體，3個活塞組件）的費用為31567元（含稅費），且至少需要3～4個月的備貨周期。因此，本次故障解決，及時保證了設(shè)備的正常運行，同時節(jié)省了大量成本，并提供了卸載器后續(xù)所需活塞組件的保養(yǎng)備件及正確使用方法。

4 結(jié)語

對H280H-WL型壓縮機無法正常加載的故障進行了具體分析，結(jié)合設(shè)備運行原理，通過排查分析故障原因，提出對活塞組件的國產(chǎn)化改進設(shè)計和壓縮機合理運行的解決措施，清除了原有故障，壓縮機運行狀態(tài)良好，上述故障分析和解決辦法，希望能夠?qū)ν愋蛪嚎s機檢修及故障排除提供借鑒。