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[摘 要]长北天然气处理厂空气压缩机组在运行期间由于压缩机旋转组件锈蚀引起转子发生卡滞、碰磨和咬死等故障，降低了设备的可用性，使得维修成本逐年增加，压缩空气因气液分离器效率降低加重了干燥器的负荷，导致成品气的水露点达不到工厂供风系统的使用标准，影响了其他生产单元的正常运行，基于以上问题通过采取干气干燥和改善湿气气液分离等技改措施，提高了压缩机组运行的可靠性，取得了良好的效果，为处理厂其他生产装置长周期、平稳运行提供了强有力的保障。
[关键词]压缩机;空气;螺杆;转子;除锈;干燥;分离;过滤
[中图分类号]TQ116.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）01–0–02
Research on Measures to Improve the Reliability of Air
Compressors and Evaluation of Effects
Zheng Bo-ren，Rong Ning，Meng Jun
[Abstract]During the operation of the Changbei Natural Gas Processing Plant， the air compressor unit due to the rust of the compressor rotating components causes the rotor to jam， rub and seize， which reduces the availability of the equipment and increases the maintenance cost year by year. The compressed air is caused by gas and liquid. The reduced efficiency of the separator increases the load of the dryer， causing the water dew point of the product gas to fall below the standard of the factory air supply system， and affecting the normal operation of other production units. Based on the above problems， dry air drying and moisture improvement are adopted. Technical improvement measures such as liquid separation have improved the reliability of the compressor unit operation and achieved good results， providing a strong guarantee for the long-term and stable operation of other production devices in the treatment plant.
[Keywords]compressor;air;screw;rotor;rust removal;drying;separation;filtration
1 設备及工艺简介
长北天然气处理厂仪表供风系统由两套空气压缩机与干燥器一体化整体撬装，附属有过滤器、管路、储气罐等设备组成整个系统，是保障天然气连续、平稳生产的关键设备，压缩机组由Comp-Air压缩机公司生产的D150-08A双级无油螺杆压缩机和无热再生型吸附式压缩空气干燥器组成，压缩机额定排气量25 m3/min，排气压力0.63～0.8 MPaG之间，干燥器的再生方式为无热再生，采用吸附筒双向交替连续工作方式，将压缩空气中的水分脱离，使其水露点值保持在-40 ℃以下，为全厂各装置提供正常生产用的净化空气和制氮用压缩空气。
2 故障类型及分析
2.1 压缩机转子锈蚀卡滞
D150-08A双级无油螺杆压缩机自2006年投入运行，采用一用一备的交替运转模式，设备在前期运行中保持了非常高的可靠性，累计运转约30000h无任何故障，后期由于螺杆转子间隙受轴承正常磨损的影响发生变化，间隙由正常值0.08 mm减小至0.03 mm，导致压缩机排气温度由正常的160 ℃升至190 ℃左右，设备经常会因为排气温度高高报警停车，影响了压缩机组的正常运行，故障发生后经过交涉，生产方表示不具备维护维修无油压缩机的能力，故采用的策略为整体更换压缩机或单级机头，但整体更换并没有提高压缩机的可靠性，后续更换的压缩机头在运行60d左右开始出现故障，开车前盘车经常出现转子沉重、卡滞等问题，制造商认为是压缩头螺杆转子间隙调整精度不相同导致的问题，指派专业技术人员在现场对机头进行了调整维护，同时采取每日例行对备机进行盘车等措施以防止转子弯曲变形和卡滞，但故障依旧反复存在，甚至出现了螺杆转子组在运行中咬死崩坏等故障而导致设备报废，自2013年至2019年，长北天然气处理厂共更换了D150-08A整机3套，1级、2级单个机头共6套，累计花费设备采购资金共计400余万元，给生产和资产造成了极大的损失。
2.1.1 故障特征
当压缩机盘车出现转子沉重、卡滞等问题时，采取的维修措施是立即停止压缩机的使用，将压缩机头拆下解体检查，结果发现阴、阳螺杆在排气端有轻微的咬磨，从螺杆齿顶部开始，沿齿面均有挤压和片状拉伤及剥落的痕迹，并从排气端到进气端逐渐减少，阴转子径向球轴承边沿有磨损，同步齿圈、齿轮、轴封完好均没有发生损坏，从磨损情况来看轴和轴承没有高温烧蚀的痕迹，整个机头内壳壁、转子、轴承表面不同程度附着有锈迹，手动旋转转子时而有卡滞的现象。 螺杆压缩机的齿面主要用于压缩气体，利用阴，阳两根螺杆的凹槽和凸齿相互啮合形成的一个空腔，它的阴，阳转子并不接触，两者之间的动力传递是通过同步齿轮来完成的，阴、阳转子的间隙一般为0.08 mm，与壳体的间隙一般为0.1 mm左右，转子排气端面与排气轴承座的间隙为0.05～0.1 mm，当阴、阳转子间隙变小时，压缩机盘车时螺杆就会接触产生磨损或碰撞，出现卡滞、沉重等现象，在实际运转中，转子在受热膨胀、力变形等因素导致转子间隙进一步变小，严重时会出现转子咬死等故障，造成压缩机头报废。
2.1.2 故障分析
该型压缩机头选用的是角接触轴承和圆柱滚珠轴承承受载荷，当轴承间隙因磨损变大时，螺杆啮合间隙变小，转子稍受干扰就会发生碰磨，在对轴承进行测量检查中，发现轴承径向、轴向游隙偏差在允许范围内，轴承内滚珠无磨损痕迹，转动灵活无异常，轴承润滑状态良好。
异物进入，如果有异物进入压缩机内部时，在转子间会被高速碾压可能在螺杆上反复粘连或形成脱落，造成螺杆本身材质跟随脱落进一步加剧磨损和啃咬的效果，但从现场检查入口过滤器和压缩机内部构件没有出现破损和脱落，也没有发现杂质，基本可排除压缩机吸入异物的可能性。
当阴、阳转子间隙调整不当时，间隙过大会造成压缩机压缩效率下降，间隙过小会导致在热膨胀效应下螺杆发生碰磨，检查定位销、齿圈及同步齿轮的啮合间隙恰当并符合设备的技术规范。
2.2 成品气的水露点低
榆林地区年平均温度8 ℃，最冷月平均温度-15 ℃，年相对湿度39%且不均衡，近年进入秋夏两季后榆林地区气温变化较大，雨水量明显增多，此阶段压缩机排出气体内含有的凝结水量较多，气液总量超过了气水分离器和过滤器的的设计处理量，促使压缩空气携带大量的游离水进入干燥器，其水量在吸附过程中远远超过了干燥剂的吸附负荷，从而影响了气体的露点降，干燥器进入脱附过程中由于干燥剂的比表面积充满了大量的水，使其脱附周期大为缩短，直接影响了干燥剂的再生效果，这样的循环状态造成了成品气的水露点持续下降，且压缩空气在进行脱附工作时，压力为0.8 MPaG含有大量液体的气体瞬时由消声器排出，造成了现场工作环境的污染。
3 改造方案的选择
针对空气压缩机组运行不可靠、故障频发的现状，有3种方案可供选择。
第一种方案，整体对空气压缩机组进行升级更换改造，出于长期保障生产安全平稳的需求最为可靠，但需要前期的设备调研、论证、设计、审批等流程，周期太长;
第二种方案，由Comp-Air压缩机制造厂家现场解决故障及更换损坏的部件，由于设备存在生产制造缺陷，且防锈膜层修复工艺非常复杂，制造方明确表示难以保障实施效果。
第三种方案，对压缩机组存在的问题进行相对的技改措施，控制和改善环境条件，保障设备具备持续的可用性和可靠性，经过综合考虑设备的运行状态、技改难度、时间周期、费用估算以及现场施工的可行性，对压缩机的技改措施经过了反复的论证，认为此方案可以解决目前设备存在的问题。
4 技改实施方法
4.1 接入干气干燥设备
在压缩机停机时，使用低露点、流动的、经过除油、过滤、脱水后的干燥纯净空气以低压形式对压缩机内部和管道进行持续吹扫，利用干空气对水份的吸附能力使压缩机内的水份排出以达到设备干燥、防锈的目的。
4.1.1 实施过程
根据压缩机流程一用一备、压缩空气出口相通的工艺特点，选择从各压缩机组干燥器出口管线下游干气取样口三通加装3/8球阀，引入压力约为0.63～0.8 MPaG、露点在-40 ℃以下的成品干燥空气，由PE软管输送至针型节流阀进行降压节流，控制其压力约为0.1～0.15 MPaG之间，然后在压缩机本体一级排气消音器端面上开孔攻丝，装入DN20的单向止逆阀并通过软管连接针型节流阀，形成整个闭环控制，其原理是当压缩机停机后，系统趋于常压，由单向止逆阀接入端持续为压缩机提供低压吹扫的干气，以除去螺桿、轴、轴承、密封件、螺杆壳体和管道中存留的冷凝水，达到压缩机头防锈的目的，当压缩机工作时，系统压力高于接入干气管路压力，单向止逆阀关闭，停止向系统供气。
4.2 选用高效过滤器提高气液分离
压缩机本体一、二级汽水分离器为旋风分离器结构设计，其原理是当压缩空气延筒壁切线方向进入分离器内，在容器内产生旋转，混在气体内的液滴也跟着一起旋转产生离心力，质量大的液滴产生的离心力较大，在其作用下大液滴向容器外壁移动，碰到外壁后聚集长大并失去动能与气体分离，在重力作用下沉降至底部由排水电磁阀排出，而粒径较小的液滴却在气体压力的作用下向呈负压状态的中心轴线迁移，随气体由顶端出口流向下游。
气水分离器的工作效率受气流负荷影响较大，当来气气液比较大时，气流在旋流的同时也推动着液体向气体流动的方向流动，造成液体流动不畅，随着气流流速的增大，着壁液体的厚度增大，液体的碰撞力度也越强，其碎化的倾向越大，会产生更细小的液滴重新进入气相中被带走，使设备的分离效率变差，现场由于受限于压缩机组的结构设计、空间狭小紧凑等缺点，无法对其高径比等结构进行调整来提高设备的分离效果。
设在干燥器前端的气液过滤器为微孔过滤设计结构，微孔直径为50 μm以下，过滤精度较高但负荷范围较窄，当气液混合物的气液比较大时，过滤出的液体下流不畅，造成容器内气体的流通面积变小，很容易产生液堵现象，使已经分离出的液体被气体重新携带进入干燥器内，继而增加了干燥系统的负荷。
5 结语
自2019年8月对2套空气压缩机实施干气干燥和升级气液分离器技改措施后取得了良好的效果，大幅降低了压缩机在运行中的故障发生率和维修次数，设备运行正常未出现任何机械故障，各项工艺参数符合要求，达到了预期的目的，主要体现在以下2点。
（1）压缩机头维护盘车时转动灵活，拆下压缩机消音器后检查转子和机壳无任何锈蚀，压缩机运行至目前机头旋转组件再无出现卡滞、咬死、崩坏等故障，提高了设备的可靠性和可用性。
（2）干燥器的排气消音器再无大量液滴喷出，干燥剂取样检查无任何粉化、变质等现象，成品气的露点在-40 ℃以下并趋于稳定，达到了仪表供风的使用标准。
参考文献
[1] 俞传河.工艺螺杆压缩机组的振动原因分析和日常维护[J].现代工业经济和信息化，2014，4（22）：74-76.
[2] 郑升布.无油螺杆压缩机主机结构及其设计的分析[J].化工管理，2017（22）：94.
[3] 尚勇军.无油螺杆压缩机主机结构及其设计[J].压缩机技术，2008（2）：28-30.
[4] 潘俊兵.螺杆压缩机维护保养及故障处理的研究[J].现代制造技术与装备，2017（11）：104-105.
[关键词]压缩机;空气;螺杆;转子;除锈;干燥;分离;过滤
[中图分类号]TQ116.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）01–0–02
Research on Measures to Improve the Reliability of Air
Compressors and Evaluation of Effects
Zheng Bo-ren，Rong Ning，Meng Jun
[Abstract]During the operation of the Changbei Natural Gas Processing Plant， the air compressor unit due to the rust of the compressor rotating components causes the rotor to jam， rub and seize， which reduces the availability of the equipment and increases the maintenance cost year by year. The compressed air is caused by gas and liquid. The reduced efficiency of the separator increases the load of the dryer， causing the water dew point of the product gas to fall below the standard of the factory air supply system， and affecting the normal operation of other production units. Based on the above problems， dry air drying and moisture improvement are adopted. Technical improvement measures such as liquid separation have improved the reliability of the compressor unit operation and achieved good results， providing a strong guarantee for the long-term and stable operation of other production devices in the treatment plant.
[Keywords]compressor;air;screw;rotor;rust removal;drying;separation;filtration
1 設备及工艺简介
长北天然气处理厂仪表供风系统由两套空气压缩机与干燥器一体化整体撬装，附属有过滤器、管路、储气罐等设备组成整个系统，是保障天然气连续、平稳生产的关键设备，压缩机组由Comp-Air压缩机公司生产的D150-08A双级无油螺杆压缩机和无热再生型吸附式压缩空气干燥器组成，压缩机额定排气量25 m3/min，排气压力0.63～0.8 MPaG之间，干燥器的再生方式为无热再生，采用吸附筒双向交替连续工作方式，将压缩空气中的水分脱离，使其水露点值保持在-40 ℃以下，为全厂各装置提供正常生产用的净化空气和制氮用压缩空气。
2 故障类型及分析
2.1 压缩机转子锈蚀卡滞
D150-08A双级无油螺杆压缩机自2006年投入运行，采用一用一备的交替运转模式，设备在前期运行中保持了非常高的可靠性，累计运转约30000h无任何故障，后期由于螺杆转子间隙受轴承正常磨损的影响发生变化，间隙由正常值0.08 mm减小至0.03 mm，导致压缩机排气温度由正常的160 ℃升至190 ℃左右，设备经常会因为排气温度高高报警停车，影响了压缩机组的正常运行，故障发生后经过交涉，生产方表示不具备维护维修无油压缩机的能力，故采用的策略为整体更换压缩机或单级机头，但整体更换并没有提高压缩机的可靠性，后续更换的压缩机头在运行60d左右开始出现故障，开车前盘车经常出现转子沉重、卡滞等问题，制造商认为是压缩头螺杆转子间隙调整精度不相同导致的问题，指派专业技术人员在现场对机头进行了调整维护，同时采取每日例行对备机进行盘车等措施以防止转子弯曲变形和卡滞，但故障依旧反复存在，甚至出现了螺杆转子组在运行中咬死崩坏等故障而导致设备报废，自2013年至2019年，长北天然气处理厂共更换了D150-08A整机3套，1级、2级单个机头共6套，累计花费设备采购资金共计400余万元，给生产和资产造成了极大的损失。
2.1.1 故障特征
当压缩机盘车出现转子沉重、卡滞等问题时，采取的维修措施是立即停止压缩机的使用，将压缩机头拆下解体检查，结果发现阴、阳螺杆在排气端有轻微的咬磨，从螺杆齿顶部开始，沿齿面均有挤压和片状拉伤及剥落的痕迹，并从排气端到进气端逐渐减少，阴转子径向球轴承边沿有磨损，同步齿圈、齿轮、轴封完好均没有发生损坏，从磨损情况来看轴和轴承没有高温烧蚀的痕迹，整个机头内壳壁、转子、轴承表面不同程度附着有锈迹，手动旋转转子时而有卡滞的现象。 螺杆压缩机的齿面主要用于压缩气体，利用阴，阳两根螺杆的凹槽和凸齿相互啮合形成的一个空腔，它的阴，阳转子并不接触，两者之间的动力传递是通过同步齿轮来完成的，阴、阳转子的间隙一般为0.08 mm，与壳体的间隙一般为0.1 mm左右，转子排气端面与排气轴承座的间隙为0.05～0.1 mm，当阴、阳转子间隙变小时，压缩机盘车时螺杆就会接触产生磨损或碰撞，出现卡滞、沉重等现象，在实际运转中，转子在受热膨胀、力变形等因素导致转子间隙进一步变小，严重时会出现转子咬死等故障，造成压缩机头报废。
2.1.2 故障分析
该型压缩机头选用的是角接触轴承和圆柱滚珠轴承承受载荷，当轴承间隙因磨损变大时，螺杆啮合间隙变小，转子稍受干扰就会发生碰磨，在对轴承进行测量检查中，发现轴承径向、轴向游隙偏差在允许范围内，轴承内滚珠无磨损痕迹，转动灵活无异常，轴承润滑状态良好。
异物进入，如果有异物进入压缩机内部时，在转子间会被高速碾压可能在螺杆上反复粘连或形成脱落，造成螺杆本身材质跟随脱落进一步加剧磨损和啃咬的效果，但从现场检查入口过滤器和压缩机内部构件没有出现破损和脱落，也没有发现杂质，基本可排除压缩机吸入异物的可能性。
当阴、阳转子间隙调整不当时，间隙过大会造成压缩机压缩效率下降，间隙过小会导致在热膨胀效应下螺杆发生碰磨，检查定位销、齿圈及同步齿轮的啮合间隙恰当并符合设备的技术规范。
2.2 成品气的水露点低
榆林地区年平均温度8 ℃，最冷月平均温度-15 ℃，年相对湿度39%且不均衡，近年进入秋夏两季后榆林地区气温变化较大，雨水量明显增多，此阶段压缩机排出气体内含有的凝结水量较多，气液总量超过了气水分离器和过滤器的的设计处理量，促使压缩空气携带大量的游离水进入干燥器，其水量在吸附过程中远远超过了干燥剂的吸附负荷，从而影响了气体的露点降，干燥器进入脱附过程中由于干燥剂的比表面积充满了大量的水，使其脱附周期大为缩短，直接影响了干燥剂的再生效果，这样的循环状态造成了成品气的水露点持续下降，且压缩空气在进行脱附工作时，压力为0.8 MPaG含有大量液体的气体瞬时由消声器排出，造成了现场工作环境的污染。
3 改造方案的选择
针对空气压缩机组运行不可靠、故障频发的现状，有3种方案可供选择。
第一种方案，整体对空气压缩机组进行升级更换改造，出于长期保障生产安全平稳的需求最为可靠，但需要前期的设备调研、论证、设计、审批等流程，周期太长;
第二种方案，由Comp-Air压缩机制造厂家现场解决故障及更换损坏的部件，由于设备存在生产制造缺陷，且防锈膜层修复工艺非常复杂，制造方明确表示难以保障实施效果。
第三种方案，对压缩机组存在的问题进行相对的技改措施，控制和改善环境条件，保障设备具备持续的可用性和可靠性，经过综合考虑设备的运行状态、技改难度、时间周期、费用估算以及现场施工的可行性，对压缩机的技改措施经过了反复的论证，认为此方案可以解决目前设备存在的问题。
4 技改实施方法
4.1 接入干气干燥设备
在压缩机停机时，使用低露点、流动的、经过除油、过滤、脱水后的干燥纯净空气以低压形式对压缩机内部和管道进行持续吹扫，利用干空气对水份的吸附能力使压缩机内的水份排出以达到设备干燥、防锈的目的。
4.1.1 实施过程
根据压缩机流程一用一备、压缩空气出口相通的工艺特点，选择从各压缩机组干燥器出口管线下游干气取样口三通加装3/8球阀，引入压力约为0.63～0.8 MPaG、露点在-40 ℃以下的成品干燥空气，由PE软管输送至针型节流阀进行降压节流，控制其压力约为0.1～0.15 MPaG之间，然后在压缩机本体一级排气消音器端面上开孔攻丝，装入DN20的单向止逆阀并通过软管连接针型节流阀，形成整个闭环控制，其原理是当压缩机停机后，系统趋于常压，由单向止逆阀接入端持续为压缩机提供低压吹扫的干气，以除去螺桿、轴、轴承、密封件、螺杆壳体和管道中存留的冷凝水，达到压缩机头防锈的目的，当压缩机工作时，系统压力高于接入干气管路压力，单向止逆阀关闭，停止向系统供气。
4.2 选用高效过滤器提高气液分离
压缩机本体一、二级汽水分离器为旋风分离器结构设计，其原理是当压缩空气延筒壁切线方向进入分离器内，在容器内产生旋转，混在气体内的液滴也跟着一起旋转产生离心力，质量大的液滴产生的离心力较大，在其作用下大液滴向容器外壁移动，碰到外壁后聚集长大并失去动能与气体分离，在重力作用下沉降至底部由排水电磁阀排出，而粒径较小的液滴却在气体压力的作用下向呈负压状态的中心轴线迁移，随气体由顶端出口流向下游。
气水分离器的工作效率受气流负荷影响较大，当来气气液比较大时，气流在旋流的同时也推动着液体向气体流动的方向流动，造成液体流动不畅，随着气流流速的增大，着壁液体的厚度增大，液体的碰撞力度也越强，其碎化的倾向越大，会产生更细小的液滴重新进入气相中被带走，使设备的分离效率变差，现场由于受限于压缩机组的结构设计、空间狭小紧凑等缺点，无法对其高径比等结构进行调整来提高设备的分离效果。
设在干燥器前端的气液过滤器为微孔过滤设计结构，微孔直径为50 μm以下，过滤精度较高但负荷范围较窄，当气液混合物的气液比较大时，过滤出的液体下流不畅，造成容器内气体的流通面积变小，很容易产生液堵现象，使已经分离出的液体被气体重新携带进入干燥器内，继而增加了干燥系统的负荷。
5 结语
自2019年8月对2套空气压缩机实施干气干燥和升级气液分离器技改措施后取得了良好的效果，大幅降低了压缩机在运行中的故障发生率和维修次数，设备运行正常未出现任何机械故障，各项工艺参数符合要求，达到了预期的目的，主要体现在以下2点。
（1）压缩机头维护盘车时转动灵活，拆下压缩机消音器后检查转子和机壳无任何锈蚀，压缩机运行至目前机头旋转组件再无出现卡滞、咬死、崩坏等故障，提高了设备的可靠性和可用性。
（2）干燥器的排气消音器再无大量液滴喷出，干燥剂取样检查无任何粉化、变质等现象，成品气的露点在-40 ℃以下并趋于稳定，达到了仪表供风的使用标准。
参考文献
[1] 俞传河.工艺螺杆压缩机组的振动原因分析和日常维护[J].现代工业经济和信息化，2014，4（22）：74-76.
[2] 郑升布.无油螺杆压缩机主机结构及其设计的分析[J].化工管理，2017（22）：94.
[3] 尚勇军.无油螺杆压缩机主机结构及其设计[J].压缩机技术，2008（2）：28-30.
[4] 潘俊兵.螺杆压缩机维护保养及故障处理的研究[J].现代制造技术与装备，2017（11）：104-105.