趙康峰，趙云輝，楊興亞，張玉鋒

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016 ）

空壓機應用于盾構施工渣土改良、帶壓進倉等場所，是盾構設備的重要組成部分，空壓機運行狀況的好壞直接影響了盾構機施工進度。

1 空壓機介紹

目前盾構設備上用的空壓機多為螺桿式空壓機（圖1）。螺桿式空壓機通過電機驅動主機轉動進行空氣壓縮，通過噴油對壓縮腔進行冷卻和潤滑，壓縮腔內壓縮空氣和潤滑油的混合氣體經過兩道分離，將壓縮空氣中的機油分離出來，得到相對潔凈的高壓空氣。在使用過程中由于空壓機維保與故障處理會占據(jù)較多時間，為避免影響掘進速度，盾構上通常配置有備用空壓機。

圖1 空壓機原理

2 盾構設備中空壓機典型故障

2.1 轉子銹蝕

2.1.1 問題描述

2017 年8 月在大連某跨海隧道地鐵項目施工中，出現(xiàn)了空壓機無法啟動的情況，經拆卸排查，發(fā)現(xiàn)是由于轉子（圖2）銹蝕導致的空壓機無法啟動。

圖2 空壓機轉子

2.1.2 原因分析

引起轉子銹蝕的直接原因是空壓機轉子中有水分。排除空壓機使用了劣質潤滑油等因素，空壓機轉子銹蝕基本上是由于冷卻油乳化導致的，引起冷卻油乳化的原因有以下幾點。

1）油冷卻器損壞，冷卻油在油過濾器中與冷卻水發(fā)生置換，從而導致了冷卻油乳化。

2）儲氣罐安裝位置高于空壓機，儲氣罐進氣端位于底部，且空壓機與儲氣罐之間無單向閥，空壓機停機運行時，儲氣罐底部的水通過最小限壓閥流至空壓機油分桶，水與冷卻油混合導致冷卻油乳化。

3）空壓機排氣溫度低，空壓機吸入的空氣中附帶水分難以蒸發(fā)，空氣中的水分與空壓機冷卻油混合在一起，當冷卻油中的水累積到一定程度時會導致機油乳化。引起空壓機排氣溫度低的原因也有幾個方面：①空壓機加載率低，使用過程中空壓機長時間卸載運行；②冷卻水流量大溫度低，冷卻水將排氣溫度降低到較低值；③溫控閥故障，空壓機排氣溫度低的情況下，冷卻油未經過溫控閥直接進入主機工作腔，冷卻油進一步被冷卻，加劇了空壓機排氣溫度低。

2.1.3 實際原因

經現(xiàn)場調查，引起本案例空壓機轉子銹蝕的主要原因是在維保時未使用空壓機官方認可的冷卻油。

通過對空壓機歷史數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在實際應用中，部分時間段內空壓機存在有加載率低的情況。加載率低也是導致冷卻油乳化的原因之一。該設備配備了2 臺空壓機，為了防止因為空壓機故障導致的設備無法掘進，2 臺空壓機采用一用一備設計，每臺空壓機都可滿足極端情況下盾構最大掘進速度下的用氣量需求，在實際操作過程中，盾構司機始終保持兩臺空壓機同時運行，一般工況下，前端用氣量遠低于空壓機排氣量，因此導致了空壓機加載率低。

2.1.4 應用建議

為防止空壓機冷卻油乳化，在應用過程中可通過以下幾方面進行改善。

1）空壓機與儲氣罐位于同一平面，或者儲氣罐進氣口增加單向閥。

2）多臺空壓機同時供氣時為防止空壓機加載率低的情況，儲氣罐上增加壓力傳感器，設定儲氣罐壓力范圍，當壓力低于某一下限值時，備用空壓機自動啟動運行。

3）為防止冷卻油乳化，空壓機設計排氣溫度低停機值。

2.2 空壓機排氣含油量高

2.2.1 問題描述

2019 年10 月，天津某工地，空壓機在使用過程中頻繁高溫跳停，經排查是缺少冷卻油導致，添加冷卻油，運行24h 空壓機又高溫跳停，此時油氣分離罐內冷卻油已看不到液位，打開儲氣罐排水閥，發(fā)現(xiàn)有冷卻油流出，判斷是由于排氣含油量高導致的冷卻油流失，從而引起空壓機高溫跳停。

2.2.2 原因分析

引起空壓機排氣含油量高的原因有以下幾個方面。

1）使用的冷卻油不適合該空壓機，或使用了劣質冷卻油。

2）油氣分離器濾芯破損或者油氣分離器濾芯超出了更換期限仍繼續(xù)使用。

3）油氣分離器回油管堵塞或者回油管安裝位置距離油氣分離器底部較遠，通過油氣分離器分離出的冷卻油無法進入壓縮機，這部分油隨著壓縮空氣被帶出，導致空氣含油量升高。

4）油氣分離器型號不對，其分離能力無法滿足實際需求。

5）排氣壓力過低，低于空壓機最低允許工作壓力，油分桶內氣壓與用氣端壓差較大，超過了0.8bar，由于氣體膨脹通過油分離器空氣流量增大，超過了油分離器處理能力。

2.2.3 實際原因

現(xiàn)場檢查了冷卻油熱交換器未發(fā)現(xiàn)水路中有潤滑油，檢查了油分桶，也未發(fā)現(xiàn)有裂紋，排除了冷卻油外漏的原因。

更換了油水分離器濾芯后，排氣含油量高的問題仍然存在。

拆卸了回油管，檢測發(fā)現(xiàn)回油管暢通，重新按照標準對回油管進行了安裝，經過一系列操作后，排氣含油量高的問題仍沒有得到解決。

觀察空壓機運行時排氣壓力，在設備運行填充豆粒石工序時排氣壓力在3～4bar，低于空壓機最低允許工作壓力。初步判斷是由于空壓機排氣壓力低超過油氣分離器的處理能力，導致的排氣含油量高。

2.2.4 結論驗證

為了驗證由于排氣壓力低導致的空氣含油量高的結論，通過調節(jié)系統(tǒng)回路中的球閥開度，人為增加回路中的負載，使空壓機排氣壓力高于最低允許壓力。通過該操作后，空壓機排氣含油量基本正常，因此可確定為空壓機排氣壓力沒有達到最低允許運行壓力導致的空氣含油量高。

空壓機排氣壓力低的環(huán)節(jié)出現(xiàn)在填充豆粒石的工序，現(xiàn)場使用的豆粒石泵單位時間內理論耗氣量在15m3/min，配置3 臺額定壓力8bar 產氣量10Nm3/min 空壓機，空壓機最低允許工作壓力為5bar，最小限壓閥設置壓力為4.5bar，空壓機出口配置了2 個1m3儲氣罐，空壓機加載壓力6.5bar，卸載壓力8bar，系統(tǒng)耗氣量不高于空壓機排氣量的情況下，儲氣罐壓力會穩(wěn)定在6.5～8bar。系統(tǒng)配置上空壓機能力大于實際需求，理論上不會出現(xiàn)排氣壓力低的情況。通過觀察現(xiàn)場的操作，我們發(fā)現(xiàn)，設備不掘進時，司機習慣停止空壓機，而運行填充豆粒石泵工序時，司機習慣先啟動豆粒石泵，然后通知主控室啟動空壓機，豆粒石泵填充過程中，正常注入空氣壓力不高于2bar，排除管路損失，即系統(tǒng)負載約為2bar。正常操作時，運行兩臺空壓機，在這種工況下，空壓機的排氣通過豆粒石輸送管路進入豆粒石填充區(qū)域，在空壓機產氣量比耗氣量大的不多時，系統(tǒng)的壓力僅能維持在3～4bar。通過要求豆粒石操作手在啟動豆粒石泵之前，確?？諌簷C啟動運行且儲氣罐壓力不低于6.5bar 時再啟動豆粒石泵，空壓機排氣含油量高的問題得到解決。

2.2.5 應用建議

為防止因為空壓機排氣壓力低導致的排氣含油量大的問題，可通過以下方面進行改善。

1）空壓機設置排氣壓力低報警與停機連鎖。

2）在儲氣罐空氣出口處增加最小壓力限制閥。

2.3 其他故障

空壓機在運行過程也會出現(xiàn)類似機組無法啟動、啟動電流大、噪音升高、風扇電機過載等問題，這些問題的產生大部分是由于空壓機維保、元件老化或損壞失效等情況所造成，與空壓機選型及盾構操作流程無關。

3 結語

空壓機作為盾構設備上關鍵元器件，其運行效果直接影響了盾構掘進速度，本文介紹了空壓機原理以及盾構施工過程中兩起由于操作流程引起的空壓機故障的典型案例，為空壓機在盾構設備的應用與選型提供了依據(jù)。