【壓縮機(jī)網(wǎng)】1、引言

 

　　獨(dú)山子煉油廠300萬t直餾柴油加氫氫氣壓縮機(jī)設(shè)備型號為2+1SVL320，機(jī)組類型為往復(fù)活塞式H型水平對置平衡型壓縮機(jī)，制造廠家為德國諾曼埃索公司，是該廠關(guān)鍵設(shè)備。該壓縮機(jī)為2007年12月新建300萬t直餾柴油加氫裝置新安裝機(jī)組，共安裝2臺(tái)。其新氫段為2缸2級壓縮，循環(huán)氫段為兩缸單級壓縮，工藝編號為K-101A、B，2011年9月對壓縮機(jī)K-101B進(jìn)行大修，拆檢發(fā)現(xiàn)循環(huán)氫南缸靠近缸頭側(cè)活塞環(huán)斷裂（見圖1），其它缸活塞環(huán)棱角處有輕微的坑點(diǎn)，對該壓縮機(jī)所有的活塞環(huán)進(jìn)行更換。自檢修后該壓縮機(jī)運(yùn)行五年來頻繁出現(xiàn)新氫一級出口壓力低故障，壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中在靠近氣缸缸體部位伴隨有氣流竄動(dòng)的聲音，進(jìn)行拆檢主要故障現(xiàn)象為活塞環(huán)、支撐環(huán)磨損嚴(yán)重、氣缸粗糙度值變大。5年以來共對新氫一級缸活塞環(huán)磨損問題檢修26次，加上其它故障，該壓縮機(jī)平均運(yùn)行周期不足2個(gè)月。由于運(yùn)行周期短，給裝置安全生產(chǎn)帶來隱患，該問題亟待解決。通過對該壓縮機(jī)維護(hù)管理升級及對故障原因進(jìn)行逐一分析排查，最終通過對設(shè)備進(jìn)行改造，解決了新氫缸一級出口壓力低故障，延長了壓縮機(jī)運(yùn)行周期，確保裝置平穩(wěn)生產(chǎn)。
 

 

　　2、故障現(xiàn)象

 

　　通過對壓縮機(jī)一級缸拆檢查看故障現(xiàn)象為壓縮機(jī)活塞環(huán)、支撐環(huán)均出現(xiàn)不同程度的磨損（見圖2、圖3）,在活塞環(huán)及支撐環(huán)端面有氣體吹蝕的痕跡，活塞環(huán)徑向最大的磨損量在1.5～2.0mm范圍內(nèi)，支撐環(huán)徑向最大磨損量在0.30～0.40mm范圍內(nèi)，氣缸缸套表面運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)粗糙度磨損加劇的現(xiàn)象（見圖4），原始缸套表面測量粗糙度為Ra0.5～0.6μm，磨損后現(xiàn)場實(shí)際測量粗糙度為Ra1.5～1.8μm，超過標(biāo)準(zhǔn)范圍。

 

　　3、故障原因分析

 

　　3.1 活塞環(huán)、支撐環(huán)材質(zhì)

 

　　300萬K-101B壓縮機(jī)在投用的初期，隨機(jī)配件中有原壓縮機(jī)廠家（諾曼埃索）生產(chǎn)的活塞環(huán)及支撐環(huán)，2011年9月更換原廠家配件，使用后運(yùn)行周期較短。原廠家活塞環(huán)、支撐環(huán)材質(zhì)均為聚四氟乙烯（PTFE），該材質(zhì)的摩擦學(xué)性能隨溫度而變化，其中石墨能使PTFE基材料的摩擦系數(shù)減小，雖然本身耐磨性變差，但是對偶面磨損極小。分析認(rèn)為原壓縮機(jī)廠家活塞環(huán)、支撐環(huán)材質(zhì)耐磨性差，后期通過和諾曼埃索廠家技術(shù)交流，建議使用PEEK材質(zhì)的活塞環(huán)及支撐環(huán)，因?yàn)樵摬馁|(zhì)較硬，耐磨性好。在2012年4月至2016年10月期間，先后試用了溫州中大、沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)廠、賀爾碧格等廠家生產(chǎn)的配件，這些廠家對活塞環(huán)及支撐環(huán)進(jìn)行了材質(zhì)升級及結(jié)構(gòu)調(diào)整，通過填充不同的金屬組份來提高活塞環(huán)及支撐環(huán)的強(qiáng)度、耐磨性。但是從使用效果來看都不是很好，壓縮機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后仍然出現(xiàn)新氫一級壓力低、活塞環(huán)及支撐環(huán)磨損現(xiàn)象。

 

　　3.2 氣缸缸套材質(zhì)

 

　　300萬K-101B壓縮機(jī)隨機(jī)安裝的缸套材質(zhì)為普通鑄鐵，2012年2月拆檢測量新氫一、二級缸套表面粗糙度分別為Ra1.2μm、Ra1.5μm，已經(jīng)超出壓縮機(jī)檢修規(guī)程SHS01020-2004所規(guī)定的壓縮機(jī)缸套表面粗糙度一般值0.6μm。從缸套磨損的現(xiàn)象來看主要是表面有不規(guī)則的氣體吹蝕的痕跡，分析認(rèn)為氣缸缸套材質(zhì)耐磨性差，表面粗糙度加劇升高后，造成活塞環(huán)及支撐環(huán)磨損。2012年5月及9月先后更換了新氫缸一、二級氣缸缸套，此次更換的缸套是由沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)廠家生產(chǎn)，對缸套材質(zhì)進(jìn)行了升級，由原先的普通鑄鐵改為球墨鑄鐵。但是2013年11月該壓縮機(jī)同樣出現(xiàn)了新氫一級出口壓力低現(xiàn)象，拆檢氣缸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)、支撐環(huán)及缸套仍存在磨損。

 

　　3.3 活塞結(jié)構(gòu)

 

　　該壓縮機(jī)新氫一級活塞結(jié)構(gòu)為組合式，是由兩部分組成，通過超級螺母進(jìn)行預(yù)緊連接，在靠近缸頭活塞部位第一個(gè)活塞環(huán)槽內(nèi)有一個(gè)直徑為φ10mm 的小孔（見圖5）。前期拆檢壓縮機(jī)進(jìn)行檢修過程中發(fā)現(xiàn)該孔邊緣有被氣體吹蝕的痕跡，并且靠近小孔的活塞環(huán)、支撐環(huán)吹蝕的都比較嚴(yán)重。分析認(rèn)為壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，高速帶壓氣體通過小孔對活塞環(huán)、支撐環(huán)及缸壁造成影響。

 

　　2012年4月對新氫缸一級活塞進(jìn)行更換，并且使用焊接的辦法堵住了小孔，試運(yùn)機(jī)組一個(gè)月后同樣又出現(xiàn)活塞環(huán)、支撐環(huán)磨損的現(xiàn)象。通過廠家了解到該小孔的設(shè)置可以保證活塞在實(shí)際的工作中端面的壓力平衡，使得活塞端面不會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)在活塞進(jìn)行拆卸的過程中氣體排出去后，方便檢修人員對活塞進(jìn)行拆卸，起到安全孔的作用。

 

　　3.4 活塞超級螺母預(yù)緊力

 

　　300萬K-101B壓縮機(jī)新氫缸一級活塞為組合式，通過M68mm的超級螺母進(jìn)行預(yù)緊，在超級螺母四周均布12個(gè)M16的小螺母（見圖6）。按照圖紙上的要求，應(yīng)先預(yù)緊固超級螺母，并且在超級螺母和活塞端面預(yù)留1～3mm間隙，然后開始對稱緊固12個(gè)小螺栓，通過螺栓的拉伸從而緊固活塞。下面對現(xiàn)場實(shí)際預(yù)緊的螺栓緊力進(jìn)行校核：

 

　　擰緊力矩=扭矩系數(shù)·預(yù)緊力·螺栓公稱直徑（1）

 

　　公式（1）中扭矩系數(shù)一般取0.11～0.15；預(yù)緊力按照圖紙要求為975kN，按照公式（2）

 

　　F=K·R/Z·m·f （2）

 

　　其中K——可靠性系數(shù)，一般取1.1～1.3

 

　　Z——螺栓個(gè)數(shù)

 

　　f——結(jié)合面間的摩擦系數(shù)，一般取0.08

 

　　m——摩擦面的數(shù)量

 

　　F——每個(gè)螺栓所需的預(yù)緊力

 

　　R——橫向載荷

 

　　因此作用在每個(gè)小螺母上的預(yù)緊力就是

 

　　F=1.2×975/12×12×0.08

 

　　=101.56 kN

 

　　螺紋的公稱直徑為M16，取D=0.016m

 

　　通過計(jì)算得

 

　　擰緊扭矩=0.13×101.56×0.012m

 

　　=160Nm≤192Nm

 

　　現(xiàn)場圖紙要求緊固力矩為160Nm，可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，適當(dāng)增大緊固力矩，但不能超過標(biāo)注緊固力矩的120%，即為≤192Nm。因?yàn)榕ぞ叵禂?shù)的選取根據(jù)螺栓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得，廠家在生產(chǎn)時(shí)沒有將具體數(shù)值標(biāo)注，所以只能通過估算選取中間值。如果現(xiàn)場緊固力矩小于160Nm，活塞在實(shí)際運(yùn)行過程中就會(huì)在結(jié)合面存有間隙，壓縮到氣體通過該處間隙進(jìn)入到活塞體，排氣過程中再通過該處間隙和安全孔排出，這樣活塞環(huán)就會(huì)由于密封比壓失衡，失去密封作用，造成活塞環(huán)被吹蝕，加劇活塞環(huán)磨損。按要求檢修過程緊固力矩定在180Nm，仍沒有解決活塞環(huán)磨損問題。

 

　　3.5 注油量

 

　　通過對該壓縮機(jī)潤滑油進(jìn)行分析，300萬K-101B壓縮機(jī)使用的潤滑油為美孚威格力533，目前獨(dú)山子煉油廠所有往復(fù)壓縮機(jī)均使用此潤滑油。廠家要求壓縮機(jī)氣缸注油量為11～15滴/min，現(xiàn)場新氫缸一級原先的注油頭只有一個(gè)在十點(diǎn)鐘方向，實(shí)際測量注油量滿足使用要求，考慮到機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中注油點(diǎn)只有一個(gè)會(huì)注油不均勻，因此現(xiàn)場在新氫缸一級缸頭2點(diǎn)鐘方向增加一個(gè)注油點(diǎn)，調(diào)整兩個(gè)注油點(diǎn)的注油量為8～10滴/min，這樣新氫缸一級缸頭總的注油量就為16～20滴/min。通過檢修拆檢活塞組件可以看到，潤滑油在活塞環(huán)及支撐環(huán)表面潤滑均勻。前期和壓縮機(jī)廠家技術(shù)人員進(jìn)行交流，試圖通過增大或減少注油量來驗(yàn)證活塞環(huán)及支撐環(huán)磨損的現(xiàn)象，但是效果都不是很理想，仍然會(huì)出現(xiàn)活塞環(huán)及支撐環(huán)磨損。

 

　　4、改造方案內(nèi)容及具體措施

 

　　4.1方案論證

 

　　正常情況下，壓縮機(jī)的活塞環(huán)和支承環(huán)壽命應(yīng)該在6000h以上（常規(guī)介質(zhì)，無油或少油工況），當(dāng)壓縮機(jī)的氣缸出現(xiàn)正常磨損，或活塞環(huán)和支承環(huán)的材質(zhì)有所改變，活塞環(huán)和支承環(huán)壽命可能有所降低，但絕對不會(huì)出現(xiàn)只能用一兩天的異常狀況。如果發(fā)生這種異常狀況，一定是壓縮機(jī)某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了嚴(yán)重問題。通過和沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)廠技術(shù)人員交流分析認(rèn)為，原機(jī)活塞環(huán)數(shù)列設(shè)計(jì)較少，24kg的壓差分布在5個(gè)活塞環(huán)上（見圖7），各個(gè)活塞環(huán)承受的徑向壓力（背壓） 過大（尤其是最外端兩側(cè)的2個(gè)環(huán)），這是活塞環(huán)異常磨損的主要原因。由于支撐環(huán)和活塞環(huán)設(shè)計(jì)為斜切口，在壓差作用下活塞環(huán)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)屬正常情況。根據(jù)國內(nèi)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的習(xí)慣及有關(guān)公司長期設(shè)計(jì)、改造氫氣壓縮機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，對比分析發(fā)現(xiàn)該壓縮機(jī)活塞環(huán)數(shù)量偏少，易造成單個(gè)活塞環(huán)承受徑向力過大出現(xiàn)磨損加劇。

 

 

　　活塞環(huán)的設(shè)計(jì)依據(jù)：材料和數(shù)量取決于壓縮氣體的種類和作用在活塞上的壓差。活塞環(huán)設(shè)計(jì)基本原則（以空氣為介質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)公式）：按密封壓力差（單位kg）開平方，然后圓整。再根據(jù)潤滑情況和氣體特性適當(dāng)調(diào)整。有油潤滑活塞環(huán)可以適當(dāng)少點(diǎn)，無油潤滑適當(dāng)增加；氣體分子量大，容易密封，活塞環(huán)可以少點(diǎn)，氣體分子量小，難于密封，數(shù)量必須增加。同等工況下，氫氣壓縮機(jī)的活塞環(huán)數(shù)量至少比空氣壓縮機(jī)增加50%，最好翻倍。

 

　　類似工況活塞環(huán)設(shè)計(jì)舉例：60×104t/a餾分油加氫裂化裝置新氫壓縮機(jī)C-1002一級氣缸工況：氣缸直徑：280mm；曲軸轉(zhuǎn)速：300r/min；活塞行程：350mm；入口壓力：2.4MPa；出口壓力：5.96MPa；入口溫度：40℃。該機(jī)活塞兩側(cè)差壓3.5MPa，活塞環(huán)設(shè)計(jì)數(shù)量為6根。符合以空氣為介質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)公式。

 

　　4.2 改造實(shí)施

 

　　該壓縮機(jī)一級出口壓力降低后更換新活塞組件后效果立竿見影，解決活塞環(huán)密封效果差的核心問題是增加活塞環(huán)數(shù)量，降級各個(gè)活塞環(huán)的背壓，進(jìn)而減小其外圓周與氣缸鏡面間的磨損。

 

　?。?）原活塞體結(jié)構(gòu)允許直接增加活塞環(huán)1根，兩活塞環(huán)槽間隔約8mm，進(jìn)行強(qiáng)度校核以及長周期運(yùn)行條件評判，不建議在原活塞體上改造。根據(jù)測量校驗(yàn)采取在活塞體長度不變的情況下重新制作新活塞的方法，合理均勻布置活塞環(huán)，支撐環(huán)數(shù)列、寬度、厚度不做改改變，位置稍作調(diào)整，采用PTFE材料的活塞環(huán)根據(jù)改造活塞體具體尺寸重新設(shè)計(jì)制作。經(jīng)過計(jì)算活塞在增設(shè)環(huán)槽后減小的質(zhì)量對運(yùn)行影響很小，因此改造方案確定執(zhí)行。

 

　?。?）超級螺栓緊固力矩不夠應(yīng)該不是問題的主要原因，分體式活塞間的空腔可做密封處理。在活塞環(huán)槽底部約φ3mm的孔被堵的情況下，只需在分體活塞端面結(jié)合部位增設(shè)密封圈即可，防止氣體竄動(dòng)。

 

　　改造后的活塞組件結(jié)構(gòu)與舊活塞組件不同點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面：

 

　?。╝）新活塞組件為6根活塞環(huán)，舊活塞組件為5根活塞環(huán)；

 

　?。╞）新活塞環(huán)的位置在活塞上對稱分布前后各3組，舊活塞環(huán)位置分布是活塞缸頭側(cè)為3組，曲軸側(cè)為2組；

 

　?。╟）支撐環(huán)位置新活塞組件在活塞中間布置，舊組件在活塞2個(gè)端面布置；

 

　?。╠）新活塞組件沒有設(shè)置安全孔，舊活塞組件在靠近缸頭側(cè)第一道活塞環(huán)槽內(nèi)設(shè)置有安全孔；

 

　?。╡）新活塞組件超級螺母有密封圈進(jìn)行密封，舊活塞組件超級螺母沒有密封設(shè)施。

 

　　5、實(shí)施效果

 

　　該壓縮機(jī)自2016年10月份檢修完畢后開機(jī)運(yùn)行至今，現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，一級缸出口壓力穩(wěn)定在4.61～4.71MPa之間，壓比恒定在1.91～1.92之間，滿足工藝生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)了長周期運(yùn)行。文章中提到的故障分析及處理方法，希望能夠給同類型往復(fù)壓縮機(jī)的檢修及故障分析提供借鑒。

 

　　6、結(jié)語

 

　　通過幾年來在機(jī)動(dòng)處、鉗工車間及加氫聯(lián)合車間的共同努力下解決了300萬tK-101B壓縮機(jī)新氫缸一級活塞壞及支撐環(huán)磨損的問題，期間對可能造成故障的原因進(jìn)行逐一論證排查。每次故障數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析總結(jié)，并且召開故障分析會(huì)，總結(jié)論證方案的可行性，這些數(shù)據(jù)的不斷積累為后期設(shè)備改造及故障分析提供很好的數(shù)據(jù)支持，最終通過設(shè)備改造，解決了壓縮機(jī)一級活塞環(huán)及支撐環(huán)磨損的原因，確保了關(guān)鍵機(jī)組長周期運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)生產(chǎn)。

 

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