往復式壓縮機活塞桿磨損故障分析及處理

李 東，吳建利，林遠平，黃 林

（中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川成都 610100）

0 引言

隨著國家提出全力保障國家能源安全，推動能源高質(zhì)量發(fā)展，作為天然氣采氣和集輸?shù)闹匾b備，往復式壓縮機的安全平穩(wěn)運行越來越重要。針對西南油氣田某輕烴廠DTY1400 型往復式壓縮機活塞桿異常磨損進行故障分析，提出相應的解決辦法和壓縮機維保建議，減少了壓縮機的非計劃停機，保證生產(chǎn)需求。

1 DTY1400 型壓縮機

該DTY1400 型壓縮機由電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)速990 r/min，采用4列二級壓縮，其中2 個一級缸、2 個二級缸，主要用于天然氣外輸。其主要設計參數(shù)為：機組型號DTY1400；排氣量4×106Nm3/d；吸氣壓力0.4～1.6 MPa；吸氣溫度0～35 ℃；排氣壓力≤3.8 MPa。

機組設計最高工作壓力3.8 MPa，使用時二級排氣壓力3 MPa，在設計范圍內(nèi)，無超壓情況。潤滑油消耗量25 L/d，在設計范圍內(nèi)；機組在調(diào)試正常后運行500 h，進行過例行檢查，沒發(fā)現(xiàn)異常。使用中，機組運行平穩(wěn)，無異常響聲出現(xiàn)。

2 活塞桿異常磨損故障現(xiàn)象

該機組在運行到4120 h 時，使用方按機組操作維護手冊對機組進行正常的維保作業(yè)時，拆卸觀察室邊蓋，發(fā)現(xiàn)二級一列活塞桿填料段發(fā)藍（圖1），隨即抽出二級一列活塞桿，測量其尺寸發(fā)現(xiàn)活塞桿直徑最大磨損達0.50 mm。通過廠家專業(yè)技術(shù)人員到現(xiàn)場又對其余幾列活塞進行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)所有活塞桿均出現(xiàn)不同程度磨損（表1）。根據(jù)DTY1400 壓縮機機組技術(shù)手冊，填料段活塞桿直徑極限尺寸為63.47 mm，其中一級二列活塞桿最大磨損0.15 mm，一級四列活塞桿最大磨損0.16 mm，二級三列活塞桿最大磨損0.27 mm，二級一列活塞桿最大磨損達到0.50 mm。同時，拆卸檢查填料盒，發(fā)現(xiàn)填料環(huán)也出現(xiàn)磨損變形（圖2）。

表1 填料段活塞桿外徑測量尺寸統(tǒng)計 mm

圖1 二級一列活塞桿觀察室段發(fā)藍

圖2 填料環(huán)

3 填料密封結(jié)構(gòu)及原理

填料環(huán)是包在活塞桿上的密封組件，填料組件通常由減壓環(huán)和多組主密封環(huán)組成，每組填料環(huán)分別裝配在單獨的填料盒中（圖3）。減壓環(huán)的主要功能是在吸氣沖程時，降低填料盒內(nèi)高壓氣體向氣缸端的回流速度，防止主密封環(huán)被損傷，阻止雜質(zhì)進入填料盒。主密封環(huán)的主要功能是起密封作用，防止氣體從高壓側(cè)流向低壓側(cè)，在吸氣沖程中使殘存在填料盒內(nèi)的高壓氣體回流至氣缸。

圖3 填料組件結(jié)構(gòu)

一套填料組件從介質(zhì)側(cè)到大氣側(cè)包括：一組起減壓作用的減壓環(huán)；阻止氣體介質(zhì)泄漏的幾組主密封環(huán)；最外側(cè)是雙作用的氮氣密封環(huán)，阻止氣體介質(zhì)從排氣孔泄漏到隔離室。每組主密封填料環(huán)一般包括1 個阻流環(huán)、1 個切向環(huán)和1 個徑向環(huán)。阻流環(huán)目的是防止密封環(huán)在高溫、高壓情況下發(fā)生蠕變，通常情況下阻流環(huán)由硬質(zhì)塑料或金屬制成；切向環(huán)裝在靠近大氣側(cè)，起到密封作用；徑向環(huán)裝在汽缸側(cè)，起到輔助密封、減壓與泄壓作用。一般主密封環(huán)為單作用密封環(huán)，采用徑向環(huán)和切向環(huán)結(jié)構(gòu)；由內(nèi)緣與活塞桿配合，在壓縮機運行時，高壓氣體進入小室，把填料壓緊在活塞桿上，徑向環(huán)和切向環(huán)配合，起密封作用。因為徑向環(huán)和切向環(huán)的切口交錯，沒有氣體的泄漏途徑，在排氣沖程中對氣體起密封作用，而在吸氣沖程中，又允許殘留在填料盒內(nèi)的氣體再次回流到氣缸內(nèi)。

往復式壓縮機填料密封環(huán)的作用是防止氣缸中的高壓氣體沿著活塞桿方向泄漏，它是壓縮機中最重要的零部件之一，也是壓縮機最主要的外泄漏途徑之一。通常情況下，填料密封環(huán)是一種動密封環(huán)，即只有在壓縮機工作時才起密封作用（圖4）。

圖4 填料密封原理

4 活塞桿磨損原因分析

影響活塞桿磨損的因素很多：活塞桿潤滑不足；活塞桿安裝不好跳動大；填料彈簧彈力過大，抱得太緊；填料盒尺寸偏小或填料熱脹，軸向間隙小，不能浮動等。在未找到磨損原因前，直接更換活塞桿、填料環(huán)，加載運行后，從隔離室處出現(xiàn)蒸汽，同時測得活塞桿溫度偏高，最高溫度達180 ℃，檢查潤滑油注油正常。又停機拆檢，檢查活塞桿尺寸、查活塞桿跳動量等均符合標準。但是活塞桿在上死點位置已經(jīng)輕微發(fā)藍變色，證明原填料環(huán)跟活塞桿配合出現(xiàn)問題。

4.1 活塞桿潤滑不足

通過對活塞桿進行仔細檢查，發(fā)現(xiàn)填料段活塞桿已經(jīng)呈現(xiàn)藍紫色，填料盒內(nèi)主密封環(huán)也有燒結(jié)痕跡，可判斷是由于活塞桿溫度高使機油結(jié)焦積碳，造成活塞桿表面無潤滑油，潤滑不足導致活塞桿磨損。

4.2 活塞桿硬度達標

通過對活塞桿進行硬度檢查，其芯部硬度為300 HB，活塞桿硬度表面900 HV，在設計值的芯部硬度和表面硬度要求范圍內(nèi)。因此，可排除是由于活塞桿硬度低造成的磨損。

4.3 工藝氣含水過多

通過對工藝氣組分分析，發(fā)現(xiàn)含飽和的濕天然氣，現(xiàn)場操作人員也反映經(jīng)常出現(xiàn)分離器液位高報警停機。而介質(zhì)中的液體會沖刷或稀釋填料中的潤滑油，造成填料密封件快速磨損和過早失效。

4.4 填料設計缺陷及材料問題

根據(jù)填料環(huán)的工作密封原理，前端減壓環(huán)作用主要是使氣體先進行一次截流，使其后的填料所承受的壓力比較平穩(wěn)。根據(jù)填料環(huán)受力圖（圖5），減壓環(huán)所承受壓力最大，在壓縮階段，減壓環(huán)被進入小室的氣體壓緊到活塞桿上[1]。經(jīng)仔細測量檢查活塞桿磨損段，發(fā)現(xiàn)磨損點在活塞死點位置，剛好是氮氣密封環(huán)和減壓環(huán)位置磨損最大（圖6），往主密封環(huán)呈逐漸減小趨勢。

圖5 傳統(tǒng)BTR 環(huán)組的環(huán)槽壓力分布

圖6 活塞桿磨損

填料組件減壓環(huán)、主密封環(huán)材料均為聚四氟乙烯，該材料抗磨能力強，韌性和耐腐蝕性好，但材料很硬，自潤滑性能差，導熱性差，熱膨脹系數(shù)大，強度低。按照工藝要求，更換新環(huán)檢測裝配尺寸，測得減壓環(huán)側(cè)隙實測值0.30 mm，較設計值偏??；主密封環(huán)側(cè)隙實測值0.20 mm，也比設計值偏小。由于其側(cè)隙偏小，造成填料環(huán)和減壓環(huán)在機組運行時，在高溫高壓的氣體作用下，其承受的高壓氣體力很容易使其變形而與活塞桿脈動硬性接觸產(chǎn)生更多的摩擦熱，使活塞桿和環(huán)的溫度升高，在小室內(nèi)卡死，導致活塞桿的加速磨損[2]。

4.5 氮氣密封環(huán)問題

由于該廠壓縮氣體為凈化天然氣不含硫，用戶就沒有連接氮氣。兩組雙作用氮氣密封環(huán)沒有氣體冷卻，故與活塞桿摩擦產(chǎn)生的熱量較多，導致氮氣環(huán)膨脹抱死活塞桿，造成過度磨損。同時，由于氮氣環(huán)與活塞桿過度摩擦生熱后，熱的活塞桿影響靠近氮氣環(huán)的主密封環(huán)，使其膨脹，致使填料環(huán)與填料盒軸向間隙偏小影響潤滑效果。

5 處理措施

采取以下措施后，該壓縮機機組運行至今未出現(xiàn)活塞桿磨損的現(xiàn)象：①更換潤滑油型號，選用潤滑油黏度稍高的牌號，避免潤滑油被稀釋沖走；②根據(jù)實際使用情況，去掉氮氣密封環(huán)；③增加減壓環(huán)強度，增大側(cè)隙，避免在軸向氣體力的作用下減壓環(huán)變形；④在填料環(huán)中加入新填充劑，提高強度，增加導熱率，改善耐磨性；⑤減小主密封環(huán)側(cè)隙，把第1 片塑料材料改為金屬環(huán)，增加強度承受沖擊，加快散熱，降低填料環(huán)內(nèi)溫度（圖7）。

圖7 新填料環(huán)

6 結(jié)束語

分析壓縮機活塞桿異常磨損的原因，其磨損是多方面因素導致的，只要分析合理，采取了正確的措施，就能解決故障。此次的故障處理，也改進和優(yōu)化了設計，提高了壓縮機運行的安全可靠性。建議嚴格監(jiān)控機組各運行參數(shù)，定時排液，定期檢測活塞桿溫度及潤滑油消耗量，從而保證壓縮機機組的正常運行。