迷宮式壓縮機(jī)組機(jī)體及管道振動(dòng)的因素分析及解決措施研究

汪樟南，劉維鑫，徐宏飛，武學(xué)峰

（恒力石化(大連)化工有限公司，遼寧 大連 116000）

迷宮壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工、冶金等能源與工業(yè)領(lǐng)域。作為核心設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)不僅影響經(jīng)濟(jì)效益還涉及設(shè)備和人身安全。在其運(yùn)行過程中，機(jī)組的振動(dòng)問題一直較難攻克。機(jī)組的振動(dòng)是影響往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行可靠性的重要因素之一，迷宮壓縮機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)引起的壓縮機(jī)故障和停機(jī)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

某公司使用2臺(tái)瑞士布克哈德公司的4K165-2N_1型四列兩級(jí)壓縮立式迷宮活塞式壓縮機(jī)。2020年4月份迷宮壓縮機(jī)負(fù)荷在75%時(shí)，機(jī)體振動(dòng)4.6mm/s，之后到11月份發(fā)現(xiàn)振動(dòng)值緩慢上升到6.6mm/s，最大為8.3mm/s。一級(jí)出口緩沖罐法蘭振動(dòng)10mm/s一級(jí)出口緩沖罐到一級(jí)冷卻器管道水平振動(dòng)30.12mm/s，二級(jí)入口緩沖罐法蘭處振動(dòng)8.5mm/s。當(dāng)壓縮機(jī)負(fù)荷升至100%時(shí)，壓縮機(jī)中體振動(dòng)值降到5.8mm/s，以及出口緩沖罐法蘭振動(dòng)7.8mm/s，一級(jí)出口緩沖罐到一級(jí)冷卻器管道水平振動(dòng)25.78mm/s，二級(jí)入口緩沖罐法蘭處振動(dòng)6.87mm/s。同時(shí)壓縮機(jī)二級(jí)出口溫度也由起初128℃上升到現(xiàn)在的132℃。為解決機(jī)組振動(dòng)大引起的一系列問題，開展了迷宮壓縮機(jī)組振動(dòng)問題的深入研究，并制定解決方案，取得了良好的效果。

1 乙烯壓縮機(jī)的情況簡介

1.1 主要參數(shù)（表1）

表1

1.2 工藝流程簡圖（圖1）

圖1

2 振動(dòng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及分析

2.1 壓縮機(jī)振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考ISO 10816-6（GB/T6075-6）《機(jī)械振動(dòng)在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量評(píng)價(jià)機(jī)器的振動(dòng)》、《額定功率大于100KW的往復(fù)式機(jī)器》標(biāo)準(zhǔn)要求，確定壓縮機(jī)及輔機(jī)、管道的振動(dòng)速度小于4.5mm/s。

2.2 機(jī)體及管道振動(dòng)分析

迷宮壓縮機(jī)的振動(dòng)主要有機(jī)體振動(dòng)、軸系彎曲振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、管道系統(tǒng)脈沖振動(dòng)三類，雖然振動(dòng)產(chǎn)生的原因各不相同，但以上三者并非獨(dú)立存在，而是交互作用與影響。壓縮機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)故障時(shí)，由于各種振動(dòng)疊加在一起，宏觀表現(xiàn)為壓縮機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)異常，此時(shí)僅通過觀察與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試往往很難識(shí)別振動(dòng)原因。一般需要從引起振動(dòng)的各種誘因出發(fā)，研究各種原因所導(dǎo)致的振動(dòng)。

3 機(jī)組檢測(cè)及原因分析

3.1 對(duì)設(shè)備安裝和機(jī)械內(nèi)部裝配等進(jìn)行檢查

（1）打開缸蓋，發(fā)現(xiàn)一級(jí)活塞第二列（以下簡稱V3缸）缸體與活塞存在碰磨現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行周隙檢測(cè)，測(cè)得數(shù)據(jù)如表2缸體迷宮槽磨損（如圖2所示）。

表2 一級(jí)活塞第二列周隙測(cè)量數(shù)據(jù)

圖2 缸壁迷宮槽磨損

（2）對(duì)活塞桿與十字頭之間的連接件進(jìn)行查看，未發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)及變形等異?，F(xiàn)象。

（3）對(duì)V3缸活塞進(jìn)行抬桿法檢測(cè)小頭瓦與銷軸間隙為0.14mm，大頭瓦與曲柄間隙為0.16mm。將活塞組件吊出，發(fā)現(xiàn)活塞裙、迷宮槽磨損（如圖3所示）。

圖3 活塞裙磨損

（4）在中體處發(fā)現(xiàn)部分填料密封粉末，對(duì)導(dǎo)向軸承進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向軸承有磨損（如圖4所示）。將導(dǎo)向軸承與活塞桿進(jìn)行間隙測(cè)量，測(cè)得間隙為0.1mm，廠家要求范圍為0.05～0.089mm。

圖4 導(dǎo)向軸承磨損

（5）將填料密封用專用工具拆卸，發(fā)現(xiàn)填料密封與活塞桿的間隙為0.14～0.17mm，廠家要求范圍為0.05～0.1mm。

（6）對(duì)十字頭滑道間隙進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得間隙為0.11mm，廠家要求間隙為0.08～0.144mm。

（7）拆卸非驅(qū)動(dòng)端蓋板，測(cè)得滑動(dòng)軸承與曲軸間隙為0.13mm，廠家要求為0.11～0.155mm?；瑒?dòng)軸承與曲軸潤滑良好，沒有異常磨損痕跡。

（8）測(cè)得軸瓦與曲軸之間的間隙為0.13mm，廠家要求的范圍為0.11～0.155mm。

（9）拆卸連桿，發(fā)現(xiàn)大頭瓦與曲柄之間潤滑良好，無異常磨損痕跡。

（10）進(jìn)一步對(duì)活塞組件進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量活塞的預(yù)緊力和活塞桿跳動(dòng)，發(fā)現(xiàn)活塞桿的跳動(dòng)值最大為0.09mm，而廠家允許最大跳動(dòng)值為0.02mm。

表3 迷宮往復(fù)壓縮機(jī)各部位間隙對(duì)照表

通過以上數(shù)據(jù)分析，V3缸活塞與缸體的周隙有明顯變化，活塞桿與填料密封及導(dǎo)向軸承均有不同程度的磨損；活塞桿存在彎曲現(xiàn)象。

小頭瓦與銷軸間隙、大頭瓦與曲柄間隙、曲柄與止推軸承間隙、曲軸與軸瓦間隙均在廠家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并且其接觸面之間沒有異常磨損痕跡。因此，排除軸系彎曲振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起機(jī)體振動(dòng)大的可能。

3.2 對(duì)活塞桿彎曲進(jìn)行分析

活塞桿彎曲有以下幾種可能：

（1）V3缸活塞與缸壁在運(yùn)行過程中發(fā)生碰磨，進(jìn)而使活塞桿與導(dǎo)向軸承發(fā)生碰磨，導(dǎo)致活塞桿受熱彎曲應(yīng)力變形。

（2）活塞桿出廠時(shí)即產(chǎn)生輕微變形，運(yùn)行時(shí)與導(dǎo)向軸承碰磨使熱彎曲應(yīng)力變形加劇，導(dǎo)致活塞與缸體發(fā)生碰磨。

為探究活塞桿變形原因，首先刨除管系振動(dòng)對(duì)機(jī)體的影響，間隙為均勻間隙。從靜態(tài)去分析，假定活塞桿為均勻質(zhì)點(diǎn)且沒有彎曲形變。為導(dǎo)向軸承與活塞桿的間隙，為活塞桿與缸壁的磨損間隙。

假定活塞桿為均勻質(zhì)點(diǎn)且沒有彎曲形變，間隙為均勻間隙。當(dāng)機(jī)組處于動(dòng)態(tài)時(shí)，在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，在垂直于活塞桿的擺動(dòng)力F的作用下，活塞桿與導(dǎo)向軸承發(fā)生磨損。S為活塞桿擺動(dòng)位移，為廠家允許的導(dǎo)向軸承磨損間隙,C為活塞與缸壁的正常間隙。當(dāng)機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，，且。

圖5 活塞工作示意圖

活塞桿（如圖6所示），垂直于活塞桿方向的力=F+F1`足夠大時(shí)，活塞桿受到的彈性變形越大，超過某一值時(shí)：，不等式成立，使活塞與缸壁發(fā)生碰磨。同時(shí)，導(dǎo)向軸承和活塞桿摩擦所產(chǎn)生的熱，也會(huì)降低活塞桿彈性極限載荷。當(dāng)外力與擺動(dòng)力之和一旦超過活塞桿彈性極限載荷時(shí)，活塞桿逐漸彎曲，發(fā)生塑性變形，無法恢復(fù)原本的狀態(tài)。

圖6 活塞桿受力彎曲

3.3 機(jī)組緩沖罐、管系進(jìn)行檢測(cè)與分析

在不刨除管系振動(dòng)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的影響時(shí)，致使活塞與缸體發(fā)生碰磨的外力可能來源于管系氣流脈動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)。為了進(jìn)一步解決管系振動(dòng)對(duì)迷宮壓縮機(jī)組機(jī)體振動(dòng)的影響，對(duì)迷宮壓縮機(jī)進(jìn)出口緩沖罐及管系進(jìn)行排查。發(fā)現(xiàn)一級(jí)出口緩沖罐和二級(jí)入口緩沖罐地腳螺栓彈簧墊片安裝錯(cuò)誤（圖7），不能有效減緩罐體振動(dòng)。

圖7 彈簧墊片上下對(duì)稱安裝

迷宮壓縮機(jī)吸、排氣呈間歇性和周期性變化，因此不可避免的激發(fā)進(jìn)、出口管道內(nèi)氣體呈脈動(dòng)狀態(tài)。脈動(dòng)氣流通過變徑（含孔板）、彎頭、閥門沿管道輸送時(shí)，會(huì)產(chǎn)生激振力，受到該激振力的作用，管系會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)。脈動(dòng)越大，管道振動(dòng)的振幅和響應(yīng)越大，當(dāng)反作用于機(jī)體時(shí)，加劇氣缸的振動(dòng)。

4 解決措施

（1）根據(jù)迷宮壓縮機(jī)組出現(xiàn)的振動(dòng)問題，更換活塞桿、導(dǎo)向軸承等零部件。

（2）將一級(jí)出口、二級(jí)入口緩沖罐的彈簧墊片由原先底座支撐上下各一組改為全部在底座支撐上側(cè)（如圖8所示），以便更有效減緩罐體的振動(dòng)。

圖8 彈簧墊片上部安裝

（3）在一級(jí)出口管線增加約束，內(nèi)置橡膠，增強(qiáng)吸振阻尼能力（如圖9所示）。

圖9 管線約束剖面圖

5 結(jié)語

通過一系列調(diào)整改進(jìn)措施，試車過程中對(duì)機(jī)體及管道振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)機(jī)體及管系振動(dòng)明顯下降。當(dāng)壓縮機(jī)載荷為50%時(shí)，機(jī)體振動(dòng)0.7mm/s；一級(jí)緩沖罐出口管線水平振動(dòng)2.9mm/s；垂直振動(dòng)1.6mm/s壓縮機(jī)載荷為75%時(shí)，機(jī)體振動(dòng)2.8mm/s；一級(jí)出口緩沖罐管線水平振動(dòng)9.5mm/s；垂直振動(dòng)5.5mm/s。以上數(shù)據(jù)對(duì)比維修更換活塞之前運(yùn)行狀態(tài)均在廠家允許范圍內(nèi)。