天然气压缩机安全使用评价方法研究

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综 述Sum ma．~文章编号：1006—2971(201 3)05—0074—05天然气压缩机安全使用评价方法研究马科笃’，马发明’。易 浩。，陈 明’。余笃军’(1．西南油气田公司装备处，四川 成都 610051；2．西南油气田公司蜀南气矿，泸州 646001)摘 要：在简述对天然气压缩机开展安全使用评价必要性的基础上，分析了目前公司压缩机技术现状和国内外设备安全评价现状，制定出基于部件分类评价的压缩机安全使用评价方法。该方法用于生产管理可起到促进压缩机安全运行，提高企业技术经济效益的作用。

关键词：天然气压缩机；技术管理；安全；分类评价；权重因子中图分类号：TH457 文献标志码：BStudy on Assessment M ethod for Safe W orking of Natural Gas CompressorMA Ke-du 。MA Fa—ming ，YI Hao ，CHEN Min ，YU Du-jun(1．Service for Equipment of Southwest Oil and Gas Field Company，Chengdu 610051，China；2．South Sichuan Gas Division，Southwest Oil and GasField Company，Luzhou 646001，China)Abstract：0n the basis of outlining necessity of natural gas compressor S safe working evaluation，the states of compressor technologywith our company and safe evaluation with equipments at home and abroad is analyzed，and a method of safe working evaluationwhich is based OH classifed evaluation with compressor S units is made．The method can be used on working management that wilimprove safe working with compressor and bring technical economic benefits to our company.

Key words：natural gas compressor；technical management；safety；classifed evaluation；weight coeficient1 引言往复式天然气压缩机 (以下简称压缩机或机组)是油气田增压采输工艺中广泛应用的关键设备，其安全使用一直是设备与工艺管理的焦点。

自20世纪 80年代初以来，西南油气田公司已有各型压缩机 330余台，分布于约两百个增压场站 ，近几年天然气增压年贡献率均约 50％。由于公司压缩机点多面广 、长期运行 、作用巨大 ，加之 日益严峻的HSE形势使得压缩机安全使用评价尤为迫切。经过近 3年的研究，探索出一套压缩机安全使用评价方法，对加强机组安全运行管理具有重要意义。

2 开展评价的必要性对压缩机开展安全使用评价是生产、安全、收稿 日期：2013—03—26技术管理等方面的综合需求。

(1)机组规模增加，运行后期机组逐年增多的生产管理需要。油气田压缩机长期在高温高压、有毒、有害和腐蚀介质等恶劣环境下运行，加之压缩机属多部件复杂系统，风险点位多 ，对机组的安全性要求高。随着储气库建设与页岩气的持续开发 ，机组规模将继续增加 ，详见图 1。4000 kW以上高转速、大功率机组的投用，使运行管理安全风险更大。API618规定了压缩机设计寿命 2O年f】1，超过这一年限即运行后期或损耗期机组，按设备故障 “浴盆曲线”，其性能、效果将显著变差 [21。部分生产单位 目前有运行后期机组 44台，占总量的15％，到2018年将超过百台，使生产管理难度进一 步加大。近年在 日常管理中已面临着运行后期机组的管理问题：如继续按原负荷运行，可能带来成倍的安全风险，但立即淘汰又缺乏技术依据，2013年05期(总第 241期)麓综 述不够经济，如何加强这部分机组安全生产管理，确保合理使用成为当务之急。

(2)预防机组发生重大故障或事故的安全管理需要。加强企业安全生产，除建设安全制度和加强生产过程管理，技术措施确保本质安全也是关键。压缩机是一种结构复杂的动力设备，也是油气田增压生产的关键设备，一旦发生事故不仅会造成巨大的经济损失 ，还可能带来严重的社会公害和人员伤亡。单台压缩机的零部件超过 1100件，故障点位较多，需通过技术措施来提高压缩机本质安全。图 1中2008—2012年公司机组故障停机共 2466次 ，约 1．5次／天 ，安全隐患较大；在连续 3年的故障分析中，机体、动力缸、压缩缸、空冷器和分离器等与运动或承压相关的零部件故障占20％以上；零部件的断、裂 、磨损 、泄漏和老化等失效形式接近 50％；对投产 20年以上且运行超过 10万小时的机组故障分析，多以零部件的磨损、老化、泄漏为主，说明运行后期机组零部件失效趋势已显著变化。这些均证实了压缩机技术管理还存在薄弱环节，有必要加强安全使用管理。

(3)保障机组可靠性，提高企业经济效益的需要。近年来公司油气生产对压缩机的依存度一直较高，加之目前增压站多无备机，提高其可靠性保障正常生产成为重中之重 。公司近几年由压缩机增压生产的天然气均在 30％ 45％，且呈逐年增长趋势，机组性能的优劣直接影响着生产任务60050040o30o2o0lo0O岔．／3z4 481 ．-Ii~2008 2009 2010 201 l 2012 2013图 1 近年公司机组规模及故障情况能否完成。部分运行后期机组己超期运行多年，其间经过了多次零部件的更换和大、中修，控制系统老化，整机技术性能明显下降，可靠性随着服役时间的增长也越来越低，但生产上仍离不开这些机组。因此为保证机组连续运行能力，保障生产任务完成，开展安全使用评价专项研究成为必然。

囊2013年05期(总第241期)(4)建立公司压缩机安全使用评价规范的需要。压缩机使用过程中还存在一些因生产厂家不同机组部件品质差异较大、使用寿命迥异的现象。

有的机组在运行一两万小时内出现机体、曲轴等关键件损坏，因分析手段和技术支撑缺乏不能对问题进行准确识别，双方责任无法明确，对厂家的质疑难以追溯 ，造成用户利益受损。另外 ，在每年十余台机组大修、项修时因无科学的全面的评判依据 ，为保证安全生产往往采取过度换件 ，造成了过剩维修和不必要的浪费。压缩机安全使用评价标准可为机组大修、项修及故障判别等工程应用服务。

经调研国内外还没有现成的往复式压缩机类复杂动设备安全使用评价成果可供直接采用，其原因主要是往复式压缩机振源多、结构复杂 、工作环境恶劣、气流脉动大，使信号采集、状态监测及故障诊断难度加大。

3 相关技术发展现状3．1 压缩机应用特点油气田用压缩机多以燃气、燃油和电驱动，按结构形式可分为整体式和分体式，气缸采用卧式对称平衡布置，排气压力一般小于25 MPa。公司是国内应用压缩机种类和数量较多的单位之一 ，安全使用评价有丰富的工程条件备选，机组的应用有如下特点：(1)燃气压缩机最多，燃气耗量巨大。燃气机组约 300台，接近总量的 90％，主要是因为天然气可就地取材，便于燃烧作为机组动力。

(2)整体式机组是最主要的机型，近年分体式增加较多 。公司机组 型号有 zTY、DPC、M、RTY和ZWF系列，其中整体式机组约占80％，代表性机组是国产 ZrIY和美国DPC系列。近年开始应用的大功率分体式机组增加迅速，已达 50余台；(3)总装机功率高，单机负荷率普遍较低。装机总功率 l1万余千瓦，单机功率35～1490 kW，其中ZTY265整体式最多，约占总量的 1／3，其次为ZTY170、ZTY470机组 。单机运行负荷率多在50％～60％，运行不经济；综 述(4)国产机组多，生产厂家相对固定。国产机组约占总数的 70％，其中ZTY系列最多，将是研究的主体。进口机组主要机型是 DPC系列和近年新增分体机。

3．2 设备的安全评价现状为开展压缩机的评价对相关设备安全评价研究现状进行了深入调研，归纳如下：(1)设备安全评价理论研究较多 ，工程应用不足。国内外研究机构在设备可靠性 、寿命评估、判废及故障机理等方面做了系统的理论研究，其研究思路大部分从调研开始，运用故障树分析、模糊概率分析等方法研究故障，并最终建立出理论评价模型或软件。不足之处在于故障案例少 ，分析方法单一，忽视了现场数据对评价模型的支撑，软件停留在理论研究阶段，极少投入工程应用。这些研究虽存在不足 ，但其思路对开展压缩机安全使用评价仍有借鉴意义；(2)静设备的评价规范较多 ，指导压缩机评价作用有限。现有设备或系统的评价规范主要针对静设备和控制系统 ，如 ：GB／T19624—2004 《在用含缺陷压力容器安全评定》、Q／CNPC—CY622—2007《井控装置地面防喷器控制装置判废技术条件》等。对动设备的评价有 SY／I'6187—1997《石油钻机用 190系列柴油机使用报废条件》、DL／r654—1998(伙 电厂超期服役机组寿命评估技术导则》，前者过于简单，后者关于零部件失效损伤机理、剩余寿命计算的方法值得借鉴。上述规范内容单一，系统性差，不足以支撑压缩机的安全使用评价；(3)基于压缩机主要零部件的评价较多，全系统的评价程度浅。压缩机是多部件复杂系统 ，对系统的全面评价难度大 ，现有评价以部分零部件故障诊断或失效分析为主。故障诊断主要解决零部件的具体故障，失效分析则是从机理上研究零部件疲劳、蠕变等失效行为的影响，以建立微观变化和宏观故障间的响应。对零部件的评价局限于压缩机运动件、承压件，如曲轴、连杆及气缸等，而压缩机全系统的安全评价主要是机组的功率、效率计算及模糊概率理论下的风险评价，没有建立零部件与整个系统间的因果关系，评价未做深入研究。

76 瓣 魑4 评价方法研究压缩机的安全使用评价在国内外无现成成果可用，为满足生产需求 ，研究了图 2的压缩机安全使用评价方法。它主要由调研检测、分类评价和整机评价组成，具有突出现场检测数据分析应用、运用部件评价支撑整机评价结论的特点。

4．1 调研检测通过资料收集和各种检测，建立被评价机组的结构材料、工艺参数、故障维修和性能状态数据库，为分类评价提供数据支撑。其重要工作是对机组的现场检测。

(1)状态监测：利用美国 RT9260ECR往复式压缩机分析系统对压力、温度、超声波等参数测试，获得发动机和压缩机示功图，获得机组的指示功率、机械效率、负荷率等性能参数，判断整机状态。

(2)振动测试 ：利用振动状态综合分析系统对机组关键部位布点测试 X、Y、z向的振动速度有效值和频谱 ，分析各部位在运行中的振动规律 ，将振动值作为载荷用于部件的分类评价。

(3)拆卸检测 ：回厂拆卸机组时对主要零部件的磨损、变形 、缺陷等进行常规测量与无损检l结构材料 l工艺参数l I故障维修I I性能状态Il l ll囱 ： l ：l关键竿I申 1分类评价结果ll崮 由 由 匡国 I—
5： 墨一一一否图 2 压缩机安全使用评价方法框图2013年05期(总第 241期)鞠调研检测 ～ ～分类评价 一 一整机评价 一． ； 一 ● 一； -综 述测，分析找出零部件的主要失效形式 ，为分类评价提供数据和专项试验案例。

4．2 分类评价压缩机是由机械零部件和辅助系统构成的复杂系统 ，各部分作用不同。根据长期以来的大量故障案例和对压缩机结构原理认识 ，按失效后果对安全和经济的影响程度将之分为关键件、一般件和辅助系统 ，简称部件分类 ，并采取了不同的评价策略。

(1)部件分类 ：关键件是指对压缩机安全运行起着重要作用，其失效行为可能会产生重大安全事故 ，或造成重大经济损失 的零部件 ，包括：曲轴、活塞杆、机身、飞轮、空冷器管柬、缓冲罐、分离器、缸盖、缸体、连杆、余隙缸、压力管道和压力管道附件 (阀)。一般件是指纳入安全使用评价范围的非关键部件，即其失效行为造成安全事故、经济损失或对机组安全运行的作用相对关键部件较小，包括：中体、十字头、活塞、空冷器风扇、主轴承。辅助系统包括 ：润滑系统、仪控系统。

(2)部件分类评价方法：包括对分类部件的疲劳计算和性能评价，关键件和部分一般件需经过疲劳计算和性能评价，部分一般件与辅助系统直接进行性能评价。由于评价结果与参数的选取关系密切，故制定 了检测参数、制造参数到设计参数的依次选用原则 ，突出现场检测数据的应用，理论计算与工程实例的结合。

疲劳计算是根据力学性能参数、结构参数、载荷条件等，在运动学、动力学基础上进行疲劳计算，完成安全评价。以曲轴为例就包括了强度计算、疲劳计算，以及考虑磨损、裂纹、降级条件下的曲轴疲劳计算。性能评价 ：运用现有的标准、规范和状态监测结果 ，完成部分一般件与辅助系统的安全评价。

(3)分类评价结果 ：是用部件分类评价方法计算出的分值得出继续用、修复和换件 3种结果。

继续用是指部件性能状态符合技术要求，评分大于某一分值；修复是指部件虽不能直接再用，但经技术恢复后可达到继续用的特定分值；换件是指部件评价低于继续用的特定分值，且因关键技术指标已不具备修复价值。继续用的分值需经过一2013年05期(总第241期)一 定的工程应用和数据分析来确定。

4．3 整机评价整机评价是在完成零部件和辅助系统评价的基础上进行机组全系统的评价，是压缩机安全使用评价的核心，权重因子的计算和确定是建立部件和整机评价之间因果关系的关键。

(1)权重因子：压缩机部件分类评价与整机评价的因果关系是项 目研究的难点之一，研究确定用层次分析法计算权重因子来建立。层次分析法是对定性问题做定量分析的一种简便 、灵活 、实用的多准则决策方法。运用该方法对压缩机建立了图 3的层次分析结构模型，它从部件安全性和经济性出发，进一步构造 l8类部件的对比矩阵、计算权向量和层次总排序，最终计算出不同部件的权重因子。

(2)整机结论：由部件评价分值结合权重因子计算 出整机的分值 (也需一定的工程应用确定)，按分值大小可划分为继续运行、报废、修理、降级和改造。其中前两种结论得出后评价工作直接结束，在得出后 3种结论后，如执行修理、降级或改造，需重新对部件和整机进行评价，直至得出继续运行或报废结论。

压缩机安全评价安全性评价cl I l经济性评们"C2曲轴田 fl 0垂I蓍l鸯I蓍 《蓍lI }奏I垂fl蓍8霎fl喜I霎8彗图 3 压缩机安全使用评价递阶层次结构模型5 技术经济效益压缩机安全使用评价涉及零部件多，计算量巨大，故开发了评价软件。软件从理论研究到工程应用需经历较长的试用与验证过程，但预计该研究成果可提升公司压缩机技术管理水平 ，并带来相应的技术经济效益。

(1)压缩机组部件与辅助系统的分类评价方法可起到指导大修、项修的作用。在当前的机组 嘲 一?大修、项修过程中，为安全起见，对动力缸、连杆、活塞及活塞杆等承受交变载荷的部件基本全换，易造成过剩维修。通过从部件损伤机理进行本质判别，可为主要部件能否继续使用提供依据，仅少换一两类部件 ，单机节约成本将在 10万元以上。

(2)压缩机组安全使用评价理论及方法可作为鉴定运行后期机组技术状况的依据。基于对压缩机主要部件和辅助系统的本质鉴定，支撑运行后期机组技术鉴定，掌握机组剩余寿命，做到安全运行与合理使用 ，减少不必要的更新改造费用 ，预计单机节约成本 100万以上。以公司未来 5年上百台运行后期机组估算，在安全运行方面的效益较易超过 1000万元，规模效益显著。

(3)压缩机安全使用评价技术条件的标准也可带来长远的经济效益。在压缩机安全使用评价方法、评价软件经大量工程应用和不断完善的基础上，形成符合公司生产实际的技术标准，指导和提升压缩机技术管理工作，也可带来长远效益。

参考文献 ：【1】 API618-2008．,t；油、'If．x-和天然气工业用往复式压缩机[S】．美国：2008.

[2】 赵艳 萍．设备 管理与维修[M】．北京 ：化学工业 出版社 ，2009.

[3】 陈兰英．大型离心压缩机组风险评估及安全运行管理研究(J】_中国石油大学，2010.

作者简介：马科笃(1975一)，男 ，高级工程师 ，本科 ，1998年毕业于石油大学(华东 )机械制造工艺及设备专业 ，主要从事油气 田压缩机技术管理与机械设计制造工作。

(上接第 54页)由轮毂和齿轮 (齿轮分成厚薄二片)组成。同步齿轮用压力油润滑 ，厚薄齿轮错位结构 ，主要为了一旦转子逆转时起到保护作用，使转子不会被损伤。

3．2 设计计算转子的受力计算及校核对压缩机的可靠运行尤为重要，螺杆齿形非常复杂，我们采用投影法，将高压力作用齿面和低压力作用齿面分别投影到x和Y坐标面上，各齿面的压力和投影面积的乘积就是作用力。将作用力分解到各轴承位置，本机组的载荷数据如下：基于以上的载荷数据，对转子的强度进行校核，根据载荷分布，考虑应力集中，表面状态等，对轴的疲劳安全系数及静强度安全系数进行详细计算 ，满足使用要求。还对轴的刚度进行校核 ，转子的挠度弯曲变形和扭转变形也都在允许范围之内。

另外，转子是高速旋转部件，还要考虑临界转速问题，当转子的运转速度接近临界转速时，轴将产生振动，影响机器的正常运行，对轴承或转子造成损坏，转子设计时，工作转速应该避开临界转速。计算时将复杂的转子齿形简化成当量直径的光78{ 瓣黎翘 轴，通过计算，转子的一阶临界转速为7204 r／min，而本项 目的最高工作转速为 4003 r／min，该轴为刚性轴，不会影响机组正常运行。

4 结语该机组安装 、调试和开车均为一次成功 ，现已正式投产，运行平稳可靠。通过改造，解决了腐蚀问题，满足了工艺生产的要求，各项指标均符合设计规定，取得良好的效果，为国内其他同类机组的改造提供了参考依据。

苯乙烯尾气压缩机的改造成功，降低了用户配套压缩机时的设备采购成本，缩短了采购周期 ，为公司增加了利润保证点，实现技术和利润双赢。

该机组还可用于苯胺循环氢、乙炔真空装置、CO煤气输送项 目等低压大流量工况。

参考文献：[1】 郁永章，等．容积式压缩机技术手册[M】．北京：机械工业出版社 ，2000：576—630.

【2】 王文斌，等．机械设计手册第3；g一3版[M】．北京：机械工业出版社 ，20o4：19—17—37.

[31 刑子文．螺杆压缩机一理论、设计及应用【M】．北京 ：机械工业 出版社 ．2000：133—143.

作者简介：施逢委(1980-)，从事螺杆压缩机设计研发工作。

2013年05期(总第241期)麓