14-3HHE-VL-3型壓縮機托瓦活塞環(huán)斷裂原因分析

宋子良(鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

該公司C3102AB往復(fù)機投產(chǎn)于2002年8月，剛開始投用機組運行正常。自2003年6月開始一、二級缸出現(xiàn)間斷性雜音，分別在2003年6月和2005年10月進行了兩次專題檢修，但此問題仍然遺留。在后續(xù)的生產(chǎn)中該問題反復(fù)出現(xiàn)，根據(jù)拆解情況，對應(yīng)活塞環(huán)的缺陷比較明顯。2009年和2013年檢修后開機運行不到一周就出現(xiàn)間歇性雜音，后拆解發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)碎裂。針對該型往復(fù)機活塞環(huán)短期失效的問題亟需進行攻關(guān)解決，文章旨在通過分析和論證，總結(jié)出活塞環(huán)失效的具體原因所在，通過對整個攻關(guān)過程的整理，得出一套可行的方案，真實有效地解決所面臨的問題，維護好機組的平穩(wěn)運行。

1 原因分析

1.1 托瓦、活塞環(huán)失效情況

從圖1托瓦失效照片來看，整個失效的狀態(tài)類似高溫熔化狀或者說介質(zhì)與托瓦存在反應(yīng)現(xiàn)象。通過參數(shù)表來分析該機一、二級缸的排氣溫度最高也不過120 ℃且氣缸內(nèi)采用的是注油潤滑?；钊h(huán)和托瓦的材質(zhì)是相同的。從圖2活塞環(huán)失效照片來看，活塞環(huán)的損壞集中在邊緣地帶，類似撞擊剝落和本身的材料致密性和融合性不佳相結(jié)合產(chǎn)生，也不能排除介質(zhì)與其反應(yīng)的可能。從實物狀態(tài)來看，斷口位置在活塞環(huán)斜口端，從斷面分析來看因為活塞環(huán)開后間隙不足，導(dǎo)致斜口擠壓撕裂。這些斷裂現(xiàn)象分別指向了三個方向：

(1)由于活塞環(huán)和托瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致工作狀態(tài)下，潤滑效果差，摩擦熱量高；

(2)材質(zhì)和加工工藝存在問題，耐用性差；

(3)熱膨脹間隙設(shè)計不合理。

圖1 托瓦失效照片

圖2 活塞環(huán)失效照片

1.2 失效原因分析

原始托瓦、活塞環(huán)的設(shè)計全部是整段式的結(jié)構(gòu)，托瓦兩側(cè)設(shè)計有泄壓槽，活塞環(huán)為普通斜口型。具體結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖4 活塞環(huán)結(jié)構(gòu)照片

這種結(jié)構(gòu)在其他設(shè)備上也有使用，但摩擦過熱產(chǎn)生熔化的還未發(fā)生過。從拆解下來的實物觀察，托瓦兩側(cè)面的平整度尚可，與過熱熔化的現(xiàn)象不完全符合。根據(jù)廠家提供的資料托瓦、活塞環(huán)的材質(zhì)為PTFE(聚四氟乙烯)，正常使用溫度可以達到250 ℃，與120 ℃的排氣溫度相比，實際托瓦和活塞環(huán)在工作狀態(tài)下的溫度不會高于250 ℃。從現(xiàn)場實地查看來看，氣缸內(nèi)存在一定量的潤滑油，不存在缺油的現(xiàn)象。該存量的潤滑油也不足以形成破壞性的液擊，致使托瓦產(chǎn)生這么嚴(yán)重的損壞。

圖5中左側(cè)的托瓦為后采購的新件，右側(cè)的為使用后狀態(tài)尚可的舊托瓦，從兩者的外觀來分析，新的托瓦在加工精度、材料的致密性方面均遠遠不如舊托瓦，而且進一步細看的話還能發(fā)現(xiàn)舊托瓦內(nèi)有黃色小顆粒物，而新托瓦內(nèi)有明顯的白色四氟顆粒。從實際使用效果來看新托瓦壽命非常短暫。

圖5 新舊托瓦對比

廠家提供了一份二級活塞環(huán)設(shè)計參數(shù)：二級活塞環(huán)的寬度為13 mm，軸向間隙為0.20～0.25 mm，材料的熱膨脹系數(shù)為6×10-5，假設(shè)環(huán)境溫度為20 ℃，則溫差達到100 ℃，計算可得工作狀態(tài)下活塞環(huán)的熱膨脹量為0.055 mm，是設(shè)計間隙值的1/4，還有余量。活塞環(huán)間隙大小所產(chǎn)生的問題如圖6所示。

圖6 活塞環(huán)間隙大小所產(chǎn)生的問題

二級缸活塞環(huán)的直徑為406.4 mm，活塞環(huán)開口間隙值設(shè)計為10 mm，熱膨脹系數(shù)6×10-5，假設(shè)環(huán)境溫度為20 ℃，則溫差達到70 ℃，計算可得工作狀態(tài)下活塞環(huán)的熱膨脹量為5.35 mm，按照設(shè)計不存在開口脹死的問題。

1.3 小結(jié)

根據(jù)上述分析基本可以判斷，在托瓦和活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上不是問題形成的主要原因，但是如果后期進行改型，在結(jié)構(gòu)上還有一定的優(yōu)化空間。針對活塞環(huán)的材質(zhì)以及加工工藝，通過對比，各批次之間還是存在一定的變化。對外觀不佳的托瓦、活塞環(huán)備件在直角邊部位用手指甲蹭壓也能使其脫落。對于膨脹間隙，我們對斷裂的活塞環(huán)進行了采樣試驗，實測得到的膨脹系數(shù)大于9×10-5，根據(jù)這個計算膨脹量，算得活塞環(huán)斜口位置的膨脹量為10.2 mm，軸向膨脹量為0.104 mm。實際在活塞體經(jīng)過一定時間的運行之后，活塞環(huán)槽和托瓦槽的寬度均有所磨損導(dǎo)致尺寸變大。特別是活塞環(huán)槽，檢測已經(jīng)呈現(xiàn)喇叭口形狀。根據(jù)這個情況運行中斜口位置將發(fā)生頂死現(xiàn)象，與之前斜口端斷裂狀況吻合。而軸向間隙隨著時間推移已經(jīng)越來越大，當(dāng)活塞體運動時，活塞環(huán)和托瓦前后撞擊環(huán)槽兩側(cè)面，由于材料粘合效果和致密性不好，逐層脫落，脫落物再擠壓磨損，造成了最終的損壞狀態(tài)。綜上，我們得出了改進的方向：

(1)更換托瓦、活塞環(huán)的供貨商，提升材質(zhì)，提高加工工藝水平；

(2)重新設(shè)計熱膨脹預(yù)留間隙值；

(3)對托瓦的結(jié)構(gòu)形式進行升級。

軸向間隙變大后托瓦撞擊環(huán)槽示意圖如圖7所示。

圖7 軸向間隙變大后托瓦撞擊環(huán)槽示意圖

2 改進

2.1 改進措施

從實際的損傷來看，托瓦的狀態(tài)更加惡劣，在上述的分析過程中，雖然托瓦采用兩側(cè)開設(shè)泄壓槽的設(shè)計方式，相對比較簡單，為確保改造的效果更加理想，在保證不改變原有設(shè)計理念的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。

從圖8中可以看出，經(jīng)過托瓦處壓力P1，P2產(chǎn)生了壓差，壓差將對托瓦形成一個壓向氣缸的力，從而成為托瓦摩擦力的一個來源。摩擦力越大，托瓦產(chǎn)生的熱量越大，磨損加快，更加容易失效。從對托瓦的工作要求而言，我們希望托瓦只是承載活塞體組件的質(zhì)量，起到支撐作用，免其擔(dān)任活塞環(huán)的密封作用，所以結(jié)構(gòu)改型上，我們采用了圖9的形式。帶斜切口，有側(cè)向和表面泄壓槽，充分減少氣體壓力對環(huán)的影響，泄壓槽的方向相互錯列，防止托瓦的轉(zhuǎn)動，減少磨損。同時，將對材質(zhì)進行升級，由原先的PTFE材質(zhì)升級為PTWFE(企業(yè)內(nèi)部代號)，之所以未采用CRPTFE(加碳纖維)，主要目的在于PTWFE內(nèi)部添加的是鈦酸鉀晶須，相比于碳纖維而言更加的細，混合后可以使復(fù)合材料更加的均勻，使用效果更好[1]。

圖8 托瓦受壓示意圖

圖9 新托瓦結(jié)構(gòu)

根據(jù)我們的意見加工廠家標(biāo)注了圖紙尺寸：開口間隙為16 mm，托瓦軸向間隙為0.55～0.65 mm，該材質(zhì)熱膨脹系數(shù)為12×10-5，環(huán)境溫度為20 ℃。計算托瓦的溫差Δt=出口溫度-入口溫度/2+10 ℃+ (入口溫度-環(huán)境溫度)

計算可得托瓦在正常工作狀態(tài)下的溫升為70 ℃。按熱膨脹計算公式：

σ=λ×L×Δt=0.000 12×3.14×406×70=10.7 mm＜16 mm，開口間隙安全。

σ=λ×L×Δt=0.000 12×63×70=0.52 mm＜0.55 mm，側(cè)向間隙安全。

針對活塞環(huán)部分，其結(jié)構(gòu)無明顯的缺陷，所以整體改造按照材料升級展開。首先方案一：將活塞環(huán)的材質(zhì)升級為PTWFE，詳細圖紙如圖10所示。

圖10 方案一活塞環(huán)改造示意圖

根據(jù)圖紙上的尺寸開口間隙值為13.2 mm，軸向間隙值為0.37～0.42 mm，該材質(zhì)熱膨脹系數(shù)為12×10-5，環(huán)境溫度為20 ℃。計算活塞環(huán)的溫差Δt=出口溫度-入口溫度/2+10 ℃+ (入口溫度-環(huán)境溫度)

計算可得活塞環(huán)在正常工作狀態(tài)下的溫升為70 ℃。按熱膨脹計算公式：

σ=λ×L×Δt=0.000 12×3.14×406×70=10.7 mm＜13.2 mm，開口間隙安全。

σ=λ×L×Δt=0.000 12×12.5×70=0.10 5mm＜0.37 mm，側(cè)向間隙安全。

方案二：將活塞環(huán)的材質(zhì)升級為PEEK(聚醚醚酮)。該材質(zhì)具有耐高溫260 ℃、機械性能優(yōu)異、自潤滑性好、耐化學(xué)品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐磨性、耐強硝酸、濃硫酸、抗輻射、超強的機械性能等特點［3］。

由于PEEK材料總體的“鋼性”要比一般的PTWFE材質(zhì)要高很多，所以想要制作成一整根的結(jié)構(gòu)會對后期的安裝造成較大的困難，很難掰開且安裝過程開口過大容易使其折斷。PEEK材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)接近于鋁，在2.3×10-5左右(添加物不同該系數(shù)會有變化)，所以應(yīng)重新調(diào)整斜口開口間隙和活塞環(huán)側(cè)向間隙。調(diào)整以開口間隙接近熱膨脹間隙但必須確保不脹死，側(cè)向間隙在熱膨脹后還留有0.20 mm左右為原則。另外，由于廠家磨具沒有2段式的，所以將其改成3段式的結(jié)構(gòu)，較2段式結(jié)構(gòu)，在安裝上難度要稍高一些[2]。

2.2 改進范圍

根據(jù)之前的運行情況，一、二級缸托瓦活塞環(huán)發(fā)生故障現(xiàn)象概率相同，為了確保改造性質(zhì)的穩(wěn)定和節(jié)約成本考慮，且二級缸的壓力相對而言更加高一些，故先對二級缸提起改造。改造的詳細方案如下：托瓦材質(zhì)升級為PTWFE，加工數(shù)量二級缸2套，寄售庫物資編碼保持不變；活塞環(huán)材質(zhì)升級為PTWFE，加工數(shù)量二級缸1套，寄售庫物資編碼保持不變；另再加工1套二級缸活塞環(huán)，材質(zhì)升級為PEEK，暫時不進行物資編碼，待使用后再結(jié)算。改造從2016年3月開始。

3 結(jié)語

2016年3月21日, C3102B往復(fù)機計劃中修，利用本次中修機會，先將PTWFE材質(zhì)的托瓦、活塞環(huán)進行了安裝試用。安裝后運行至2017年1月6日，機組解體后檢查托瓦、活塞環(huán)情況，未發(fā)現(xiàn)托瓦、活塞環(huán)碎裂以及嚴(yán)重磨損的現(xiàn)象。將PTWFE材質(zhì)的托瓦和PEEK三段式的活塞環(huán)安裝試用。安裝后運行至2019年2月18日解體中修，檢查托瓦、活塞環(huán)情況，磨損正常無碎裂現(xiàn)象。同步比對活塞環(huán)槽、托瓦槽寬度和氣缸直徑的變化，根據(jù)前后兩次的比對，活塞環(huán)、托瓦槽寬無明顯增加，氣缸直徑無明顯變大。這意味著新材質(zhì)的托瓦、活塞環(huán)在材質(zhì)升級后并未在自身各方面提高后反向造成活塞體和氣缸的過大磨損。從兩次試用的結(jié)果來看，均滿足實際使用的需求，考慮到PEEK材質(zhì)的活塞環(huán)較PTWFE材質(zhì)的活塞環(huán)在生產(chǎn)成本上更加高，且結(jié)構(gòu)為3段式，現(xiàn)場安裝難度較大。

綜合考慮后決定采取材質(zhì)均升級為PTWFE這個方案。至此，本次改造已經(jīng)全部實現(xiàn)初始設(shè)定的目標(biāo)，改造結(jié)果非常成功。文章通過對此次改造過程問題的分析和總結(jié)，并通過試驗得到了一些相關(guān)經(jīng)驗，希望能為同類設(shè)備在今后處理類似問題上提供一些借鑒。