迷宮活塞壓縮機(jī)級間壓力異常升高原因分析及改進(jìn)措施
2024-03-19
張書波
（中國石油大慶石化公司化工二廠）
摘 要：通過一起迷宮活塞壓縮機(jī)級間壓力異常升高、末級排氣流量降低的故障實(shí)例，詳細(xì)分析了該類壓縮機(jī)出現(xiàn)這種故障的各種原因可能性，并重點(diǎn)分析了導(dǎo)致迷宮活塞與氣缸磨損的根源所在，指出了活塞桿導(dǎo)向軸承處的潤滑不足問題，臨末結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，給出了合理有效地改進(jìn)措施，為該類壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、選型和日常維護(hù)提供了參考經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：迷宮活塞；壓縮機(jī)；導(dǎo)向軸承；潤滑
1 引言
中國石油大慶石化公司化工二廠5000t/a己烯-1裝置采用乙烯三聚合成己烯-1技術(shù)。其關(guān)鍵設(shè)備C-201乙烯壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)為迷宮活塞式往復(fù)壓縮機(jī)，具有無油潤滑、磨損量小、不污染介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，該壓縮機(jī)出現(xiàn)了級間壓力異常升高問題，導(dǎo)致一級排氣安全閥頻繁起跳，末級排氣流量減少，嚴(yán)重影響了裝置的正常生產(chǎn)。
2 C-201乙烯壓縮機(jī)簡介
己烯-1裝置C-201乙烯壓縮機(jī)為國內(nèi)某廠生產(chǎn)，型號為2D-140MG-1.24/12-55，兩列兩級迷宮活塞式往復(fù)壓縮機(jī)，立式安裝，氣缸為無油潤滑，水冷，雙作用。工藝介質(zhì)為乙烯，由1.20MPa（G）壓縮至5.50MPa（G），排氣量（吸入狀態(tài)）為1.24m3/min，單層平面布置，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該壓縮機(jī)具有2個氣缸，均為雙作用，進(jìn)、排氣口為側(cè)進(jìn)側(cè)出，在氣缸內(nèi)壁上開有迷宮槽?；钊麨槊詫m活塞，外壁上開有迷宮槽，活塞與氣缸不存在摩擦，無需潤滑，保證了工藝介質(zhì)的潔凈。
活塞與氣缸的密封依靠迷宮槽對氣體的節(jié)流來達(dá)到密封作用。活塞桿與氣缸底部的密封采用迷宮式填料密封，用來密封氣缸中的高壓氣體沿活塞桿向下泄漏，材質(zhì)為石墨。
該壓縮機(jī)在活塞桿中間位置設(shè)置有導(dǎo)向軸承，對活塞與活塞桿的運(yùn)動進(jìn)行預(yù)導(dǎo)向，防止活塞與活塞桿發(fā)生徑向偏移。導(dǎo)向軸承與活塞桿的潤滑采用飛濺潤滑方式，由活塞桿運(yùn)動時帶上去的潤滑油潤滑。在導(dǎo)向軸承的上端設(shè)置有刮油環(huán)，用來刮下黏附在活塞桿上的潤滑油，使活塞桿帶上去的潤滑油可以返回壓縮機(jī)底部油箱。
3 級間壓力異常升高問題說明
該壓縮機(jī)一級排氣壓力正常為2.64MPa，安全閥起跳壓力為2.85MPa。發(fā)生故障時一級排氣壓力異常漲到2.82~2.90MPa之間，一級排氣安全閥頻繁起跳，末級排氣量減少。該壓縮機(jī)原設(shè)計(jì)排氣量在1280kg/h，發(fā)生故障時，實(shí)際流量只能達(dá)到890kg/h，已經(jīng)不能滿足正常生產(chǎn)需要。工廠起初懷疑是氣閥泄漏，但是更換氣閥后沒有好轉(zhuǎn)。為了維持生產(chǎn)，工廠臨時采取了提高一級進(jìn)氣壓力的措施，這樣對排氣量有所提升，但是加劇了級間壓力的升高，安全閥一直起跳，并且逼近了一級排氣緩沖罐的設(shè)計(jì)壓力3.0MPa，被迫停工對該壓縮機(jī)進(jìn)行檢修。
4 級間壓力異常升高原因分析
對于迷宮活塞式往復(fù)壓縮機(jī)來說，級間壓力異常升高，末級排氣量減少的原因主要有以下幾點(diǎn)：
4.1氣閥泄漏
多級往復(fù)壓縮機(jī)一級排氣壓力異常升高常見的原因就是氣閥泄漏。（1）需要檢查二級進(jìn)氣閥。如果二級進(jìn)氣閥泄漏，二級壓縮后的高壓氣體返回一級，導(dǎo)致一級排氣壓力升高。（2）需要檢查一級排氣閥。如果一級排氣閥泄漏，一級壓縮后的高壓氣體排不出去，從而導(dǎo)致一級排氣壓力升高。（3）需要檢查二級排氣閥。如果二級排氣閥泄漏，二級高壓氣體排不出去，就會影響二級進(jìn)氣的吸氣量，導(dǎo)致一級排氣憋壓，從而引起一級排氣壓力升高。以上3種氣閥泄漏情況，都會引起一級排氣壓力升高、末級排氣流量減少，但與此同時，由于高壓氣體回串，也會導(dǎo)致氣體溫度升高，隨之氣閥的閥蓋溫度會升高。但發(fā)生故障時，現(xiàn)場用紅外測溫儀測量氣閥的閥蓋溫度，閥蓋的溫度相對低于該處氣體溫度10~15℃，檢查各級的進(jìn)排氣溫度，也沒有發(fā)現(xiàn)較平時有異常升高，所以此次故障原因可排除氣閥泄漏。實(shí)際檢修情況也表明，這次故障跟氣閥泄漏沒有關(guān)系。
4.2填料密封磨損
該壓縮機(jī)的活塞桿密封填料由兩種密封環(huán)組成，分為接觸式和非接觸式，填料環(huán)的內(nèi)壁開有迷宮槽，通過對氣體的節(jié)流來達(dá)到密封作用。該壓縮機(jī)填料密封共有9道密封環(huán)，從氣缸開始第4道密封環(huán)后有一條漏氣回收管道去該級進(jìn)氣緩沖罐，第8道密封環(huán)后有一條漏氣回收管道去火炬放空，臨末再有泄漏的乙烯則隨通入隔室的氮?dú)庖黄鹋胖潦彝獯髿?。?jīng)運(yùn)行期間的觀察和監(jiān)測，2個氣缸的一次漏氣回收管道外壁溫度無明顯變化，一級填料的二次漏氣回收管道外壁溫度一直在40℃左右，也沒有明顯升高，而二級填料密封的漏氣回收管道，平時該管道表面溫度基本在48~56℃之間，在故障發(fā)生期間，一級排氣安全閥起跳的時候，現(xiàn)場測該管道表面溫度達(dá)到了70℃，說明該處漏氣量明顯增大。另外，末次泄漏的少量乙烯與隔離氮?dú)饣旌虾笈胖潦彝獯髿猓覀冊谠撆欧趴谔幱每扇細(xì)怏w報警儀測得可燃?xì)鉂舛葹?0%LEL，而以往平時監(jiān)測該處可燃?xì)鉂舛纫恢痹?0%LEL左右，這也說明了乙烯的漏量有所增加。所以，可判斷二級填料密封發(fā)生磨損，導(dǎo)致二級氣缸排氣量損失，泄漏的高壓氣體一部分經(jīng)漏氣回收管道返回二級入口，又造成了一級排氣壓力升高。
4.3氣缸和活塞磨損
該壓縮機(jī)的活塞為迷宮式，活塞外壁開有迷宮槽，同時氣缸內(nèi)壁也開有迷宮槽。迷宮式活塞由于活塞與氣缸內(nèi)壁存在間隙，依靠表面梳齒的層層節(jié)流來實(shí)現(xiàn)密封。該類壓縮機(jī)對于活塞和氣缸的間隙以及活塞的裝配精度，尤其是活塞的運(yùn)行軌跡要求非常嚴(yán)格，其中活塞與氣缸的直徑間隙只有0.20mm，如果活塞與氣缸接觸就會產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而破壞活塞表面梳齒，引起迷宮密封失效，氣缸內(nèi)高壓氣體回串，導(dǎo)致級間壓力升高，排氣流量減少。為了確?；钊\(yùn)行軌跡始終保持直線而不發(fā)生偏差，該壓縮機(jī)在活塞桿中間部位設(shè)置
有導(dǎo)向軸承，以防止活塞偏移和氣缸摩擦。導(dǎo)向軸承和活塞桿的直徑間隙只有0.06mm，配合要求十分嚴(yán)格。迷宮活塞壓縮機(jī)相對于普通活塞壓縮機(jī)先進(jìn)之處就在于其活塞為迷宮結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)就是活塞與氣缸無摩擦，對于活塞的運(yùn)動軌跡及運(yùn)行配合的制造和安裝要求也是非?？量?。所以，活塞和氣缸一般不會發(fā)生磨損，但實(shí)際情況是，此次故障的原因恰恰就出現(xiàn)在這里。
5 檢修處理經(jīng)過
出現(xiàn)問題后，工廠共進(jìn)行了兩次檢修。第一次進(jìn)行了小修，更換了全部氣閥，但是故障仍舊存在。第二次進(jìn)行了中修，拆卸了活塞、填料密封、刮油環(huán)、導(dǎo)向軸承等組件，詳細(xì)檢查了各部件的磨損情況和配合間隙。檢查發(fā)現(xiàn)活塞、氣缸、填料密封、導(dǎo)向軸承均有不同程度的磨損情況。
5.1填料密封磨損情況
如圖2、圖3所示：二級填料密封磨損嚴(yán)重，密封內(nèi)有黑色粉末狀磨損產(chǎn)物，對應(yīng)活塞桿處有黑色磨痕?？膳袛啵憾壧盍厦芊饽p，導(dǎo)致氣缸泄漏量增大，造成排氣量降低。泄漏的高壓氣體經(jīng)漏氣回收管道返回二級進(jìn)氣入口，影響到了一級排氣量，從而造成一級排氣憋壓，級間壓力升高。
5.2活塞與氣缸磨損情況
如圖4、圖5所示：二級活塞外壁嚴(yán)重偏磨，磨損側(cè)表面梳齒幾近磨平。二級氣缸內(nèi)壁對應(yīng)部位嚴(yán)重偏磨，磨損痕跡特別明顯。經(jīng)測量，2個活塞與氣缸周邊間隙不均勻，其中二級活塞與氣缸間隙超差嚴(yán)重?？膳袛啵夯钊c氣缸磨損，則吸、排氣兩側(cè)氣體互串，降低了氣缸內(nèi)壓縮效率，導(dǎo)致級間壓力升高，排氣量降低。
5.3導(dǎo)向軸承磨損情況
如圖6所示：二級導(dǎo)向軸承有磨損，內(nèi)壁有燒研情況，對應(yīng)二級活塞桿處有巴氏合金殘留。經(jīng)測量，二級導(dǎo)向軸承內(nèi)徑尺寸超差嚴(yán)重。據(jù)此可判斷：由于導(dǎo)向軸承的作用是為活塞的運(yùn)動進(jìn)行導(dǎo)向，如果導(dǎo)向軸承磨損，那么活塞運(yùn)動將有所偏移，從而導(dǎo)致填料密封和活塞磨損。綜上所述，此次故障的原因主要是導(dǎo)向軸承磨損，進(jìn)而造成活塞、氣缸、填料密封磨損，從而引起級間壓力升高、二級排氣量降低。下面，對導(dǎo)向軸承磨損的原因進(jìn)行進(jìn)一步分析。
5.4導(dǎo)向軸承磨損原因分析
裝配原因。導(dǎo)向軸承與活塞桿的廠家給定標(biāo)準(zhǔn)間隙值為0.04~0.08mm，間隙值比較小?；钊麠U與十字頭的連接方式為螺紋連接，安裝時調(diào)整難度較高，稍有偏差就會造成活塞桿與導(dǎo)向軸承一側(cè)接觸，進(jìn)而造成導(dǎo)向軸承磨損、燒研。僅對本次故障來說，由于壓縮機(jī)的安裝是在機(jī)器廠家技術(shù)人員指導(dǎo)下完成的，所以可排除裝配方面的原因。
潤滑原因。導(dǎo)向軸承與活塞桿之間的潤滑由于采用飛濺潤滑，沒有穩(wěn)定的外供潤滑油系統(tǒng)，僅是依靠十字頭做往復(fù)運(yùn)動時甩出的潤滑油進(jìn)行潤滑。在壓縮機(jī)運(yùn)行初期，潤滑油溫度較低，粘度相對較大，十字頭甩出的油量較少，導(dǎo)向軸承與活塞桿之間難以形成穩(wěn)定的油膜，潤滑條件不夠充足，極易造成活塞桿與導(dǎo)向軸承之間產(chǎn)生干摩擦，這種情況在冬季尤為突出。并且，在壓縮機(jī)剛停機(jī)時，活塞桿的往復(fù)運(yùn)動逐漸停止，這期間十字頭甩出的油量也隨之減少，進(jìn)而會造成導(dǎo)向軸承與活塞桿產(chǎn)生摩擦。待壓縮機(jī)完全停止后，導(dǎo)向軸承與活塞桿處沒有持續(xù)潤滑油進(jìn)行冷卻降溫，也會影響和降低導(dǎo)向軸承的使用壽命。
6 故障應(yīng)對措施
綜上所述，造成壓縮機(jī)級間壓力異常升高、末級排氣量減少的根本原因就是導(dǎo)向軸承處潤滑不足，進(jìn)而造成導(dǎo)向軸承磨損、活塞桿運(yùn)動偏擺、填料密封磨損、活塞與氣缸磨損等一系列問題。所以，針對故障問題和設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，我們和機(jī)器廠家溝通后，對壓縮機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化改造。即：在機(jī)身內(nèi)部增設(shè)兩級導(dǎo)向軸承與活塞桿的預(yù)潤滑線，提高導(dǎo)?軸承與活塞桿的潤滑效果，避免因潤滑中斷或潤滑不足而造成干摩擦。具體措施為：從現(xiàn)有潤滑油總供油線上引出一根覫8白鋼管，分成兩路，在壓縮機(jī)機(jī)身兩側(cè)鉆孔，進(jìn)入兩級導(dǎo)向軸承下側(cè)，分別圍繞相應(yīng)活塞桿彎曲成環(huán)，鉆出4個小孔，噴油至活塞桿表面（導(dǎo)向軸承下部約2cm處）。該潤滑油線上安裝有切斷閥，可以進(jìn)行關(guān)閉和開啟。在壓縮機(jī)正式開機(jī)前，先啟動輔助潤滑油泵進(jìn)行油運(yùn)，打開該潤滑油線對兩級導(dǎo)向軸承進(jìn)行預(yù)潤滑，同時人工盤車10圈，使導(dǎo)向軸承與活塞桿接觸部位得到充分潤?，預(yù)潤滑時間不少于5min。壓縮機(jī)需要停機(jī)時，則按照原停機(jī)程序，待機(jī)器完全停止10min后，再關(guān)閉輔助潤滑油泵。
經(jīng)過改造，壓縮機(jī)的導(dǎo)向軸承與活塞桿接觸部位始終有潤滑油潤滑，促進(jìn)了該潤滑部位的液膜形成，極大提升了潤滑效果，同時也增強(qiáng)了導(dǎo)向軸承與活塞桿之間的密封，避免了壓縮機(jī)上層隔室內(nèi)的乙烯向下泄漏至底部的潤滑油箱。
7 結(jié)論
按照國家標(biāo)準(zhǔn)《JB/T11178-2011迷宮活塞壓縮機(jī)》所述，迷宮壓縮機(jī)的活塞桿導(dǎo)向軸承可采用飛濺潤滑。作者為此進(jìn)行了文獻(xiàn)檢索，并沒有查到其它為導(dǎo)向軸承額外設(shè)置潤滑油的情況。但是，己烯-1裝置生產(chǎn)情況較為特殊，其生產(chǎn)性質(zhì)屬于工業(yè)化試驗(yàn)，每次開工少則幾天，多則月余，工藝生產(chǎn)并不穩(wěn)定，經(jīng)常需要反復(fù)停開工。由此壓縮機(jī)開停機(jī)特別頻繁，也就使得導(dǎo)向軸承與活塞桿的潤滑不足問題得到放大。長此以往，勢必會加快降低導(dǎo)向軸承的使用壽命。所以，對于需要頻繁啟停的壓縮機(jī)，很有必要對導(dǎo)向軸承設(shè)置外供潤滑油來進(jìn)行強(qiáng)制潤滑。
工廠通過此次改造，有效解決了壓縮機(jī)導(dǎo)向軸承與活塞桿潤滑不足問題。通過一年多的運(yùn)行情況來看，壓縮機(jī)級間壓力異常升高、末級排氣量降低問題已經(jīng)得到解決，導(dǎo)向軸承與活塞桿、填料密封與活塞桿、活塞與氣缸沒再出現(xiàn)偏磨情況，壓縮機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，各項(xiàng)參數(shù)也都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。臨末，希望通過本次壓縮機(jī)故障與優(yōu)化改造實(shí)例，為同類企業(yè)迷宮活塞式往復(fù)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行維護(hù)提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]戴曉洲.迷宮式活塞壓縮機(jī)迷宮密封及結(jié)構(gòu)分析[J].化工機(jī)械，2000，27（2）
來源：《壓縮機(jī)技術(shù)》
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