張宏偉， 劉治國

（中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心，山西大同037038）

0 引言

通過分析TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)機(jī)組在段裝車運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題, 發(fā)現(xiàn)TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)油分芯在一定情況下存在火災(zāi)安全隱患，即當(dāng)TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)中的油分芯存在靜電導(dǎo)出不良及油氣分離器中的回油管路不通暢問題時, 就存在引燃濃度超標(biāo)的油氣混合物的情況，此時若空氣壓縮機(jī)仍沒有停止工作,勢必將造成壓縮機(jī)著火,如處理不及時必將引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)事故。為了避免油分芯導(dǎo)致壓縮機(jī)火災(zāi)事故的發(fā)生，本文對油分芯導(dǎo)致TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)著火原因進(jìn)行相關(guān)分析，并提出相應(yīng)的解決辦法。

1 油分芯導(dǎo)致TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)著火機(jī)理

1.1 TSA-2.4A空氣壓縮機(jī)著火可燃物分析

在正常的工作情況下,TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣在通過油氣分離器分離后，其含油量很低（一般小于5 mg/m3）,低含油量的空氣通常不會出現(xiàn)被點(diǎn)燃或高溫自燃情況。當(dāng)機(jī)頭回油管路出現(xiàn)堵塞情況時,會使得油分芯發(fā)生回油不暢現(xiàn)象, 此時從油分芯分離出來的潤滑油無法及時通過機(jī)頭進(jìn)入到油氣筒, 便會在油分芯集油池內(nèi)聚集起來[1]。在壓縮空氣的攪動下,超高油液能夠促使油分芯內(nèi)油氣混合物濃度急劇增大, 濃度超標(biāo)的油氣混合物就成為導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)著火的可燃物。

1.2 TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)著火助燃物

TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)工作時產(chǎn)生壓縮空氣, 由于壓縮空氣中含有大量氧氣,因此壓縮空氣將作為助燃物。

1.3 TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)著火點(diǎn)分析

油分芯分離油氣混合物時, 油氣混合物中相對較小的油滴顆粒會與濾材纖維發(fā)生摩擦,并產(chǎn)生靜電。當(dāng)靜電產(chǎn)生累積且無法及時被釋放時,就有可能會放電產(chǎn)生火花。

2 TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)油分芯

2.1 油分芯的材質(zhì)及工作原理

油氣混合物通過油分芯分離開, 讓油回到機(jī)器里進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，油分芯分離油氣混合物原理如圖1所示。

圖1 TSA-2.4A型壓縮機(jī)油分芯分離油氣流程圖

油氣分離器9就是能夠?qū)崿F(xiàn)油和氣混合物相分離的一個罐子，其中油分罐一般為圓柱形，油分罐內(nèi)有一個油氣分離濾芯，簡稱油分芯。常見的油分芯大多由微米級別的多層細(xì)密玻璃纖維制成,一般有23層左右，含有霧狀油的壓縮空氣經(jīng)過油分離器后幾乎可以被完全去除[2]。

其工作原理是當(dāng)油和氣的混合物以一定的流速穿過玻璃纖維濾材時, 油滴大部分會被甩到油分罐的內(nèi)壁上被物理機(jī)械直接攔截, 在重力的作用下沿著內(nèi)壁流到油分罐的底部。而少數(shù)部分由于慣性碰撞等凝聚在一起,使得壓縮空氣中的懸浮油微粒快速聚集成為體積較大的油滴，形成的油滴在重力作用下會被聚集在油分芯底部的集油池中[3]，實(shí)際上油氣混合物在穿透油分芯之前，油氣混合物中大約99%的油分已被分離掉到油分罐底部。經(jīng)過油分芯的處理會使得壓縮機(jī)產(chǎn)生的空氣含油量更低，空氣更加純凈。被聚集在油分芯底部的油之后通過回油管路使集油池中的油返回機(jī)頭17內(nèi)部,參與下一循環(huán)。其中回油管上有一單向閥29，使得機(jī)油只能由油分芯底部流入主機(jī)的壓縮腔。而經(jīng)油分芯過濾后的空氣，經(jīng)過最小壓力維持閥7流向后部冷卻器冷卻后再排出空壓機(jī)。

2.2 油分芯靜電產(chǎn)生原因及導(dǎo)出通路

油微粒穿過濾材時會因摩擦產(chǎn)生靜電，該靜電必須得到消除。所以油分芯內(nèi)部的金屬部件需具有導(dǎo)電連接，以傳導(dǎo)靜電，同時確保與空壓機(jī)機(jī)體導(dǎo)電連接。否則油分芯靜電釋放產(chǎn)生的能量可能會點(diǎn)燃潤滑油，且隨時可能會發(fā)生燃爆或爆炸。油微粒穿過濾材摩擦產(chǎn)生的靜電導(dǎo)出通路為：靜電經(jīng)油分芯導(dǎo)電片至油分芯法蘭后，再經(jīng)過油分芯墊片的導(dǎo)電片傳至油氣筒，最后由空壓機(jī)接地線導(dǎo)入機(jī)車殼體。經(jīng)過對空氣壓縮機(jī)多年的跟蹤測試，確認(rèn)油分芯靜電導(dǎo)出通路電阻并不會隨著運(yùn)用時長而發(fā)生變化。

3 TSA-2.4A空氣壓縮機(jī)靜電燃爆試驗(yàn)再現(xiàn)

3.1 試驗(yàn)過程

為明確油分芯靜電產(chǎn)生過程和影響因素，通過模擬空壓機(jī)靜電燃爆現(xiàn)象進(jìn)行了再現(xiàn)試驗(yàn)，主要過程為：選用空壓機(jī)，按圖2位置在油分芯回油管路加裝截止閥，控制排氣含油量；按圖3所示拆除油分芯上下墊片的導(dǎo)電片；按圖4、圖5破壞油分芯自身導(dǎo)電連接；按圖6所示加裝靜電聚集放電打火機(jī)構(gòu)；按圖7所示測量油分芯裝機(jī)后導(dǎo)電情況，隔離油分芯至不導(dǎo)通。

圖2 油分芯回油管路加裝截止閥

圖3 去油分芯墊片導(dǎo)電片

按圖8所示，設(shè)置溫度傳感器，分別記錄油分芯燃燒5、10、15、20、21～32 s時高溫保護(hù)開關(guān)位置和系統(tǒng)內(nèi)溫度最高點(diǎn)溫度。其中2號位為油分蓋上排氣口（原高溫保護(hù)開關(guān)位置），5號位為油氣筒尾部排氣口（系統(tǒng)內(nèi)溫度最高點(diǎn)）。

說明：由于油分芯的工作原理決定，壓縮空氣通過油分芯玻璃纖維層，會產(chǎn)生靜電，當(dāng)按圖4、圖5操作進(jìn)行隔離后，靜電會聚集到內(nèi)護(hù)網(wǎng)，得不到釋放，當(dāng)圖6中所加裝的導(dǎo)線束與內(nèi)護(hù)網(wǎng)在合適的間隙下，聚集在內(nèi)護(hù)網(wǎng)上電荷量達(dá)到足夠量后，會造成尖端放電現(xiàn)象，從而引發(fā)電火花，再在合適油氣濃度下，即可實(shí)現(xiàn)油分芯的燃燒。

圖8 溫度傳感器設(shè)置點(diǎn)

啟停模式，預(yù)設(shè)空壓機(jī)工作壓力：750～900 kPa，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為：打風(fēng)時間40～120 s，停機(jī)時間40～120 s。

試驗(yàn)中，可以通過適當(dāng)遮擋冷卻器的方式，提高排氣溫度至99～116 ℃，接近溫度開關(guān)設(shè)定值（120±4）℃。

試驗(yàn)過程允許停機(jī)補(bǔ)油，控制試驗(yàn)中正常油位。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

測試結(jié)果：從2018年6月下旬至2018年9月底，共選取了7個油分芯（1號～7號）對空壓機(jī)靜電燃爆現(xiàn)象進(jìn)行了再現(xiàn)測試，測試結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)后油分芯（1號～7號）狀態(tài)如圖9所示，2號位和5號位溫度測試結(jié)果如表2所示，溫度變化情況如圖10所示。

1號油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號檢測合格品，正常油位至底油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)18 h，壓力750～900 kPa，油分芯未見異常。

2號油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號檢測合格品，底油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)約30 h，壓力750～900 kPa，油分芯未見異常。高溫累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)144 h，壓力750～1000 kPa，油分芯未見異常。

表1 油分芯通電測試結(jié)果表

圖9 試驗(yàn)后油分芯（1號～7號）狀態(tài)圖

表2 溫度值記錄表

3號油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號檢測不合格品，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)230 h，壓力550～700 kPa，550～800 kPa，750～900 kPa，運(yùn)行溫度120 ℃，油分芯未見異常。

4號油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號檢測不合格品，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)130 h，壓力750～900 kPa，運(yùn)行溫度120 ℃，油分芯未見異常。

5號油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號檢測不合格品，沒去除油分芯墊片上下導(dǎo)電片，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)已100 h，壓力800～950 kPa，運(yùn)行溫度90～115 ℃，油分芯未見異常。

圖10 不同位置溫度變化圖

6號油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號檢測合格品，改制油分、加裝放電結(jié)構(gòu)，未去除油分芯內(nèi)導(dǎo)電片，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)120 h左右，壓力800～950 kPa，運(yùn)行溫度90～115 ℃，油分芯未見異常。

7號油分芯，為空壓機(jī)正常使用油分芯同型號檢測合格品，改制油分、加裝放電結(jié)構(gòu)，去除油分芯內(nèi)導(dǎo)電片，正常油位累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)13 h左右，壓力800～950 kPa，運(yùn)行溫度90～115 ℃，在起機(jī)溫度70～75 ℃時，油分芯出現(xiàn)起火燒蝕。由于起火時的起機(jī)溫度相比較潤滑油閃點(diǎn)230 ℃低很多，且油位正常，因而明火來源應(yīng)是油分芯內(nèi)護(hù)網(wǎng)靜電聚集到了足夠量，在合適放電間隙下引發(fā)了尖端放電。

4 結(jié)論

通過上述靜電燃爆再現(xiàn)試驗(yàn)過程可以看出：空壓機(jī)油分芯靜電燃爆確實(shí)存在，但是屬于小概率事件，只有在靜電導(dǎo)出受阻，且聚集達(dá)到一定程度，在油分芯內(nèi)油氣濃度合適的情況下，才有可能觸發(fā)形成；另外，在出現(xiàn)靜電燃燒時，油氣桶內(nèi)潤滑油溫度相對而言可能比較正常，而后端油分芯排氣口的溫度瞬間可以達(dá)到600 ℃以上。

空壓機(jī)發(fā)生油分芯靜電燃爆后會導(dǎo)致油分芯處的排氣溫度迅速上升，根據(jù)這一特點(diǎn)，為了降低靜電燃爆事故影響程度，需要迅速切斷空壓機(jī)控制回路?；诖?，需要對應(yīng)開發(fā)對溫度變化敏感、響應(yīng)速度更快的新型溫度開關(guān)產(chǎn)品。保證TSA-2.4A型空氣壓縮機(jī)在油分芯出現(xiàn)靜電現(xiàn)象時，溫度開關(guān)對溫升速率響應(yīng)及時，保證空氣壓縮機(jī)主動及時切斷控制回路自動停機(jī)。