西二线西段压缩机组关键故障分析

【摘 要】2001年西气东输管道的建设，拉开了我国天然气管道大规模建设的序幕，本文主要结合西气东输二线西段管道压缩机组典型故障的现象，进行了系统的总结分析，明确了压缩机组发生故障主要原因及后续处理的具体措施和改进建议，提高了压缩机的可靠性和使用寿命，旨在保证天然气平稳、高效输送。为后续管线压缩机组的运维提供了有效的借鉴。

【关键词】钎焊 怠速 齿轮箱 孔探 摩擦副

1概述

西二线西段所辖共14座压气站46台大型离心压缩机组，其中包括GE公司PGT25+SAC/PCL800系列燃驱机组28台、RR公司RB211/RF2BB36系列燃驱机组6台、电驱机组12台（TMEIC/PCL800系列机组9台，TMEIC/H1156沈鼓机组3台）。

自2010年7月西二线霍尔果斯、红柳站压缩机组开始投产测试，2011年12月完成最后一台精河站压缩机组的投产测试。截止2014年12月31日，西二线西段压缩机组累计运行时间512056小时，2015年开始，机组将陆续进入中修周期。

西二线西段压缩机组投运至今，因设计、现场安装调试、运维等各方面原因，出现了一些导致设备返厂维修的关键故障缺陷。为了更好地总结相关经验，以下对发生的关键故障进行系统总结分析。

2关键故障失效统计

西二线西段压缩机组自投产至今，累计发生各类导致压缩机组直接失效的关键设备故障9起，主要集中在燃气发生器本体严重损伤，另外，烟墩站RR离心压缩机平衡气管线崩脱导致设备严重损伤、红柳站GE燃机齿轮箱损伤做为关键故障也各发生一起。详细情况如下表1所示。

表1 西二线西段压缩机组投产至今关键故障统计一览表

序号 站场 机组编号 供货商 故障时间 故障发生时累计运行时间 故障描述

1 红柳 2# GE 2011-06-04 2506 IGB双联止推轴承保持架碎裂，轴承严重磨损。

2 乌苏 1# RR 2012-06-15 2405 喷嘴头脱落，由此导致后续高压涡轮、中压涡轮叶片被击打损伤。

3 烟墩 3# RR 2012/7/2 1329 燃料气喷嘴头脱落，并由此导致高压涡轮叶片的中度损伤。

4 玛纳斯 2# GE 2012/7/8 3788 合成油供油管路过滤器出口单向阀"O”型圈缺失，由此导致其进入合成油供油管路，堵塞4#轴承供油嘴。

5 霍尔果斯 4# GE 2012/11/10 7104 机组VSV控制逻辑存在设计上的本质缺陷l，在反馈信号全部丢失后直接发出VSV全关指令，进而使运行中的高压压气机发生喘振，导致压气机5-16级叶片严重损伤。

6 烟墩 3# RR 2013/5/4 2745 压缩机平衡气管线与压缩机驱动端端盖连接法兰紧固螺栓突然断裂，导致管线崩脱变形，天然气大量泄漏，机组推力轴承副推力瓦磨损严重，驱动端干气密封损坏，轴套变形且轴头螺纹严重变形，二级叶轮与压缩机出口壁严重磨损、平衡鼓与气封粘合，抽芯时被迫破坏平衡鼓。压缩机外壳体未发现异常，但压缩机内筒体（含转子及相关配套的平衡鼓、轴套等）需要整体返厂修复。

7 烟墩 1# RR 2013/9/19 8040 运行中GG燃料气喷嘴头脱落，导致HPT高压涡轮严重损伤、中压涡轮有一定损伤，GG返厂维修。

8 精河 1# GE 2014/3/17 6014 压气机16级动叶片四处缺陷，三处根部有裂纹或断裂掉块，一处排气边有明显凹痕。按照规范，均属于超标，现场解体并更换。

9 霍尔果斯 4# GE 2014/5/8 6306 合成油泵入口手阀8天时间未关闭，导致合成油进入压气机空心轴内部；同时，因控制逻辑中振动保护延时过长（达19秒），导致水洗后干燥启机过程中振动高高，燃气发生器压气机2-13级动叶叶片叶尖及2-6级可调静叶叶顶与转子存在较为严重的磨损，GG返厂维修。

从统计结果看，尽管因输气输量限制，西二线西段压缩机组投产后，在24个月内的合同约定质保期内，机组发生关键故障时的累计运行时间存在较大差异性，但主要发生在机组累计运行时间8000小时以内。

从机组关键故障原因来看，产品质量缺陷是导致设备关键故障的主要原因，占比达到56%。其次，设计缺陷也占有较大因素，由此导致关键故障失效率达到22%。在安装质量、运维及设计因素也各导致一次关键失效故障，分别是玛纳斯站2#机组现场安装过程中，在油冲洗时回装错误导致一次单向阀阀芯密封“O”型圈断裂堵塞轴承供油嘴，进而导致GG被迫返厂维修；霍尔果斯4#机组合成油泄漏进入压气机空心轴内部，导致水洗后烘干启机过程中振动高高，保护延时设计过长导致2-13级动叶叶尖严重磨损。

从机型看，关键故障主要发生在燃驱机组，其中，GE燃驱机组发生5次，RR燃驱机组发生4次。GE机组关键故障主要发生在产品质量和设计方面，其中设计因素2次、质量因素2次；RR机组故障则主要集中在喷嘴供货质量方面控制不严，连续导致喷嘴头脱落而导致机组高压、中压涡轮严重损伤。烟墩站3#机组离心压缩机平衡气管线紧固螺栓崩脱则说明在机组设计方面存在考虑不周的情况。具体分类如下表2和图1所示。

表2 关键故障原因分类统计一览表

分类 关键故障总数 产品质量 设计 安装质量 运维及设计

次数 9 5 2 1 1

图1

3 故障描述及分析

在发生的9起关键故障中，按照故障原因，可以归纳为四类：产品质量、设计、安装质量、运维及设计。以下按照故障原因分类，分别予以详细分析。

3.1产品质量

西二线西段压缩机组关键故障中，因为产品质量因素导致占主要比重，累计9次关键故障中，产品质量因素达到5次，占比58%。产品质量故障主要细分为两类：配套备件供货质量和OEM工厂自身加工安装质量。

（1）配套备件供货质量

该类故障主要为压缩机组配套的单体部件存在严重的质量缺陷，由此导致该部件运行中突然失效，进而导致机组设备发生严重机械损伤。投产至今共发生3起，均为RR燃驱机组燃料气喷嘴质量缺陷，运行中因此导致喷嘴头脱落，带入后续高压、中压涡轮，连续导致乌苏站1#、烟墩站3#、1#燃气发生器高压涡轮叶片严重损伤掉块，中压涡轮动叶出现明显击打凹痕等中度损伤，燃气发生器被迫返厂维修。

在对故障机组喷嘴序列号进行系统排查后，发现故障喷嘴序列号均以K08、K09开头，经RR公司调查供货信息，确认以上批次产品为同一厂家供货，目前西段一线、二线共涉及到7台机组，其中乌苏站1#、烟墩站1#、3#机组运行中喷嘴头脱落导致GG返厂维修，未更换仍在运机组共4台：乌苏站2、3#、烟墩站2#、山丹站3#机组，均已经按照RR公司78#技术规范完成全部拆检、清洗，目前机组处于紧急备用状态，待备件更换。

该类故障典型特征为GG运行中突然出现机匣振动瞬间突变甚至直接高高报警跳机，对燃气发生器进行孔探检查时，会发现高压涡轮、中压涡轮动叶出现明显损伤现象，而前端的高压压气机、中压压气机状态完好，无任何损伤。对燃烧室孔探检查，可以发现部分燃料气喷嘴异常，拆检燃料气喷嘴，可以明显观察到喷嘴头已经脱落。具体如图2和图3所示。

图2：高压涡轮叶片严重损伤、中压涡轮叶片有明显损伤痕迹

图3：喷嘴头脱落的故障喷嘴及其结构示意图

经最终排查分析，确认故障机组燃料气喷嘴为同一厂家提品，因喷嘴压盖与本体钎焊工艺缺陷，钎焊材料用量不足，导致结构强度不够，运行中喷嘴头脱落，依次随高温高速气流带入后续的高压涡轮、中压涡轮，进而导致高速运转的涡轮叶片出现严重击打损伤。

（2） OEM工厂自身加工安装质量

在机组成套产品的工厂加工、安装中，也可能存在控制工序的误差导致出现设备隐患。在西二线西段共发生两起相关的设备故障，分别是红柳站2#机组投产后初期的输入齿轮箱双联止推轴承保持架碎裂、轴承滚珠严重损伤，导致相应的输入齿轮箱（IGB）、传动齿轮箱（TGB）、附件齿轮箱（AGB）磨损，齿轮箱整体返厂维修；精河站1#机组孔探检查发现燃气发生器高压压气机第16级动叶四个叶片有明显缺陷，其中三个叶片叶根部位有裂纹，现场拆解并予以更换。

对于齿轮箱的损伤，典型故障为轴承回油监控的碎屑检测器运行中突然报警，并在很短时间内导致合成油回油过滤器差压报警，回油压力因过滤器的堵塞而迅速升高。拆检可以发现碎屑检测器滤网有明显的金属碎屑、颗粒。具体如图4、图5、图6所示。

图4：IGB轴承保持架断裂

图5：碎屑检测器及合成油回油过滤器滤芯收集大量碎屑

图6：合成油碎屑检测题PID图

IGB轴承保持架及滚珠轴承损伤的原因目前仍有一定争议，但根据目前技术分析，判断可能原因如下：

1）IGB止推轴承保持架可能存在设计缺陷及轴承质量问题，存在提前疲劳迹象；

2）轴承喷嘴嘴油量不足，导致相关轴承不良，长期运行在高温状态下（流量测试低于指标要求）；

3）部分部件紧固力矩超标且不均匀，由此导致相关位置轴承及齿轮轴非水平和不同心过载运行，加剧设备磨损。

综合而言，IGB双联并联止推轴承可能存在质量缺陷，其工厂安装中也存在一定安装质量缺陷，由此导致以上故障的发生。

精河站1#机组燃气发生器高压压气机第16级动叶缺陷，主要为在工厂的加工、安装、测试中质量控制出现偏差的结果。在后续孔探排查中，未发现0-15级动叶有任何损伤，入口无进入异物的迹象，拆解后确认共4片叶片存在缺陷，其中3片为叶根出现裂纹、断裂掉块，1片为排气边出现凹坑且超标。若不及时处理，后续运行中将可能导致叶根出现裂纹的叶片出现断裂，进而对后续高压涡轮叶片产生严重损伤。因及时发现，现场对缺陷叶片进行了更换，相关信息如图7所示。

图（7）：压气机16级动叶叶片损伤

3.2设计因素

设计因素导致的关键故障主要在于控制逻辑缺陷及设备动力学计算方面，由此分别导致西二线霍尔果斯4#机组编号641-211的燃气发生器高压压气机动叶严重损伤、烟墩站3#机组运行中离心压缩机平衡气管线因高频振动紧固螺栓断裂，离心压缩机转子及配套轴承、密封等严重损伤。

霍尔果斯4#机组编号641-211的燃气发生器压气机5-16级动叶严重损伤，主要原因为压气机发生喘振。在对机组运行数据进行系统分析后，确认因为VSV反馈信号电缆支撑不规范，导致运行中VSV位置反馈信号丢失，因为燃机控制逻辑设计错误，在两只反馈信号全部丢失时，原有逻辑直接发出VSV关闭指令，由此直接导致高负荷运行的压气机发生喘振，最终导致叶片的严重损伤。在系统分析后，2013年完成全线GE燃驱机组控制程序的升级，新逻辑在VSV反馈信号全部丢失后，将触发燃机进入怠速模式，进而消除了发生喘振的风险，同时优化了燃机热启及正常停机暖机的逻辑，提高了设备保护的可靠性。对于航空电缆的固定，则全线进行了优化，加装了专门的固定支架，相应信号虚接现象大幅降低。相关图8所示。

图8：压气机5-16级动叶损伤

西二线西段RR燃驱机组离心压缩机平衡气管线运行中，检测管线存在较明显的高频振动，对西一线机组进行振动检测，则未发现类似现象。在2013年5月烟墩站3#机组运行中平衡气管线高压侧紧固螺栓突然断了崩脱，导致天然气大量泄漏，并由此导致离心机转子轴向力瞬间发生相反的巨大变化，第二级叶轮直接与出口导流叶片刮擦粘死，驱动端干气密封因轴向串动量过大，超过干气密封允许的最大轴向串动量（3mm左右）而导致动静环摩擦副严重磨损失效，推力轴承副推力瓦严重磨损等，平衡鼓气封严重磨损并粘连，机芯因此无法抽出，最终被迫破坏平衡鼓抽芯返厂维修。损伤情况如图9，图10，图11，图12，图13，图14所示。

图9：离心压缩机平衡气管线

图10：断裂的紧固螺栓及出现裂纹的螺栓

图11：副推力轴承表面巴氏合金磨损严重

图12：平衡鼓粘连被迫破坏以完成抽芯

图13：二级叶轮外表面磨损严重

图14：出口壁导叶磨损严重

针对该故障，在对全线RR离心压缩机进行排查后，确认仅西二线西段6台机组平衡气管线紧固螺栓存在不同程度损伤。在进行振动检测分析后，发现平衡气管线整体存在较高频率的振动，特别在低压侧弯头处尤其明显。经过评估，在平衡气管线处增加一处固定支撑，再次检测高频振动明显降低。从螺栓断裂的失效分析看，明确螺栓为疲劳断裂。

3.3安装质量因素

西二线西段玛纳斯站2#机组运行中合成油供油压力高高报警跳机，系统排查合成油过滤器、外部油路未发现异常，更换五单元油泵后启机，随转速增加，合成油供油压力正比增加，接近联锁保护值，且对应的4#轴承回油温度明显偏高，手动停机。后经通过吸尘器对GG供油管路进行处理，抽出断裂的“O”型圈，进而对油路进行再次排查，发现合成油供油管路过滤器出口单向阀“O”型圈缺失，由此导致其进入合成油供油管路，堵塞4#轴承供油嘴。

因玛纳斯2#机组投运后还未进入保养周期，现场不存在拆卸的可能性，经与GE现场确认，确定为机组调试油洗期间，拆卸单向阀，并在油洗合格后回装时，也可能为工厂装配错误，导致以上故障发生。如图15，图16，图17，图18。

图15

图16：合成油单向阀安装位置及结构示意图

图17：合成油单向阀密封圈位置

图18：玛纳斯站合成油单向阀拆解情况

鉴于现场依次通过专用孔探仪检查，无法发现堵塞的“O”圈残留部分，且现场尝试无法有效取出，故将燃气发生器整体返厂送修，在2013年5月份完成检修返回现场备用。

另一方面，立即对全线GE燃驱机组合成油管路单向阀进行拆检，由此发现西二线连木沁站2#机组也存在类似装配错误情况，及时予以更正处理。

由本次事件总结来看，机组定期保养中，对于合成油供油管路单向阀，应进行必要的检查，作业人员必须明确掌握正确的装配方式，对于发现密封件损伤的情况，立即予以更换处理。对于合成油供油、回油压力异常报警，应从系统上更为细致的予以分析排查。

3.4运维及设计因素

西二线霍尔果斯4#机组编号641-217的燃气发生器为代储库备用GG，因2012年12月原先燃气发生器因VSV控制逻辑缺陷导致压气机喘振损伤压气机后，调用该台燃气发生器更换投用。2014年5月8日在水洗后烘干启机的过程中，燃气发生器因GG机匣振动高高联锁跳机。进行孔探检查时，发现压气机2-13级动叶叶片叶尖及2-6级可调静叶叶顶与转子存在较为严重的磨损现象，燃气发生器被迫返厂维修。如图19和图20所示：

图195级动叶与机匣内壁磨损照片 图20 12级动叶与机匣内壁磨损照片

系统检查，未发现外部进入异物的迹象，进一步拆检，发现压气机空心轴内部存在明显的进油现象。如图21所示：

图21

通过趋势检查，确认合成油手阀在机组保养期间的8天时间内始终处于开启状态。经系统分析，确认合成油通过油箱-合成油泵-附件齿轮箱-传动齿轮箱-输入齿轮箱-3#轴承密封气进气口进入压气机空心轴内部，由此导致转子动平衡的破坏，高速运转中出现转子与静子部件的摩擦，进而损伤叶片。这也反应出设计上未能充分消除潜在隐患风险，对于合成油系统的设计存在不足。如图22所示。

图22

另一方面，由振动保护逻辑看，设计上存在延时不当的严重问题，进一步核查ESD控制逻辑，确认GE燃驱机组振动及超速保护停机联锁均在HIMA中存在15秒延时，在Bently组态中有4秒延时，总计19秒延时，保护延时明显过长不合理，无法启动保护设备安全的作用。ESD保护逻辑图23和图24所示。

图23

图24

因为延时过长，振动保护未能及时动作，进而导致压气机叶片严重磨损。

4经验总结

从以上西二线西段压缩机组关键故障的分析来看，需要对以下方面进行总结和思考：

（1）对于新机组的采购，必须在技术规格书的评审阶段，做好把控，结合以往运维经验，及时明确相应的技术细节要求，杜绝和消减以往缺陷和潜在风险。同时，现有新机组招投标阶段，必须提高属地方的把控权限，切实将合理、宝贵的运维经验融入新机组的技术指标规范中；

（2）必须细化压缩机组自安装、调试、运行、维护检修全过程的管理规范，全面介入全过程的管控。现有的建管模式，对于设备的现场安装、调试阶段在属地管理上存在一定缺失，监管更多地局限在监理层面，对最终设备的长周期全寿命运维可能会导致一定的隐患，应全面推行属地单位关键节点质量验证措施；

（3）切实落实新机组的质量验收，重视新机组投产测试后设备本体质量检验，在做好投产测试运行监控参数的分析同时，及时开展诸如燃气发生器孔探检查、关键部件目视检查等工作，及早发现潜在隐患；

（4）合理调配机组运行方式，尽可能在质保期内做好新机组的运行考核，并对相关质保商务条款进行必要评估，不断优化细化相关条款，切实保障自身利益；

（5）不断提高员工业务素质，提高故障的系统化分析能力，及时建立和完善系统化分析平台，对于异常报警及参数变化，及时开展系统化分析。对于典型故障，实施完善和修订相应的操作运维规程，并及时开展必要的经验分享；

（6）重视基础管理，做好转动设备振动监控与分析、滑油系统的定期分析、维护等基础工作，切实提高设备运行环境。

参考文献：

[1]胡开胜，张大伟，倪姗姗，张金明.西二线燃驱压缩机组故障原因及其改进措施[J].油气储运，2013，11：1251-1253.

[2]金俊文，何东升，陈宏.ESD系统在西气东输二线西段工程中的应用与研究[J].中国仪器仪表，2011，11：68-72.

作者简介：葛建刚，男，汉族，新疆乌鲁木齐人，毕业于兰州大学化学系有机化学专业，理学学士学位，现工作于中国石油西部管道公司，生产运行处、工程师，研究方向：压缩机运行。