氯甲烷往復(fù)式壓縮機故障原因分析及改進(jìn)措施

胡 錦 周 強 余曉霞 楊 東 李 剛

（寧波巨化化工科技有限公司）

某公司氯甲烷工藝氣體壓縮機的工況為容積流量46 m3/min， 進(jìn)口壓力0.05 MPa， 排氣壓力0.80 MPa， 氯甲烷壓縮工藝作為該生產(chǎn)裝置的核心工藝，壓縮機的安全、穩(wěn)定運行是裝置運行水平的風(fēng)向標(biāo)。 工藝要求被壓縮工藝氣體中絕對無油，加上工藝氣體流量較小，壓縮比較大，受限于壓縮機生產(chǎn)技術(shù)水平和投資成本，故在項目建設(shè)初期選用了往復(fù)式壓縮機［1］，該項目往復(fù)式壓縮機自投用以來，先后暴露出管道共振、填料泄漏等問題，筆者和企業(yè)工程技術(shù)人員一起對此機型現(xiàn)狀進(jìn)行分析并做出相應(yīng)改進(jìn)，使其能夠達(dá)到安全穩(wěn)定長周期運行的目的。

1 往復(fù)式壓縮機現(xiàn)狀

筆者結(jié)合實際情況將該往復(fù)式壓縮機的運行現(xiàn)狀列舉如下：

a. 故障檢修頻率較高。 該往復(fù)式壓縮機投運伊始，連續(xù)運行周期僅為2 000～4 000 h，氣閥拆檢、清洗、更換閥片，檢查更換填料、活塞環(huán)、支撐環(huán)等小修檢修頻次為每年2～3次；主軸瓦、連桿瓦磨損失效更換頻次為每年1～2次。 隨著投用時間的增加，壓縮機大、中、小修的頻次越來越高，每年的檢修費用為15～20萬元， 嚴(yán)重影響裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)。

b. 設(shè)備、管道的泄漏較多。 往復(fù)式壓縮機采用填料密封，隨著運行時間的推移，泄漏量逐漸變大，且泄漏量難以量化，泄漏較大時泄漏氣氮封效果不佳，工藝氣直接泄漏至主軸箱，從主軸箱的呼吸閥外泄，造成較大的安全隱患。 機身主軸箱密封面、 主軸箱與中體接縫滲油現(xiàn)象較普遍，此漏油處理難度大，消漏需拆除曲軸、活塞及氣缸等關(guān)鍵部件，消漏費用較高。 此外，油路、氣路管線的測壓、測溫點多采用螺紋接口，在運行過程中，機組周圍油的泄漏點較多且頻繁，造成機組面貌差，維護(hù)難。 機組運行會有一定的振動，部分氣路測溫、測壓點長時間運行會有松動滲漏的現(xiàn)象。

c. 變頻調(diào)節(jié)適用范圍小。 因氯甲烷工況生產(chǎn)負(fù)荷波動較大，其中兩臺選用變頻控制，用于應(yīng)對負(fù)荷調(diào)整時，降低壓縮機的能耗。 壓縮需采用變頻控制， 能很好地實現(xiàn)負(fù)荷在60%～100%范圍可調(diào)，壓縮機經(jīng)濟(jì)性能較好。 但另外大流量工況的較大功率的壓縮機，由于大功率低轉(zhuǎn)速電機變頻驅(qū)動引起往復(fù)式壓縮機吸排氣有波峰、 波谷值，只能靠飛輪矩平衡電網(wǎng)波動，越大功率驅(qū)動的飛輪直徑也越大，且壓縮機反向角太小，潤滑效果不好導(dǎo)致使用壽命短。 變頻成本遠(yuǎn)高于實際使用價值，設(shè)備變得復(fù)雜，后期維護(hù)成本高。

d. 壓縮機使用初期，由于支架安裝質(zhì)量和管道共振引起壓縮機振動超標(biāo)，密封墊松動泄漏點較多，壓縮機壽命比較短。

2 故障分析及改進(jìn)措施

2.1 檢修頻率高的原因分析及改進(jìn)措施

為保證往復(fù)式壓縮機的運行狀況良好，需在設(shè)計階段進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，制造階段把控各部件的加工細(xì)節(jié)，安裝階段規(guī)范施工，為降低往復(fù)式壓縮機振動提供有力保障，達(dá)到降低往復(fù)式壓縮機故障檢修頻率的目的。 為降低檢修頻率，筆者圍繞降低往復(fù)式壓縮機振動從設(shè)計、安裝、使用維護(hù)方面進(jìn)行原因分析及改造。

2.1.1 設(shè)計階段

該往復(fù)式壓縮機通過往復(fù)運動進(jìn)行氣體壓縮，在吸氣、壓縮、排氣的過程中，壓縮機排氣存在脈動現(xiàn)象，在設(shè)計、安裝過程中如果沒有將其減弱、消除，壓縮機管路、機身的振動會非常大，在項目投用初期，由于共振導(dǎo)致管路振動達(dá)到4.8 mm/s。過大的管路振動導(dǎo)致壓縮機機身振動，壓縮機運行壽命嚴(yán)重受到影響。 經(jīng)分析，壓縮機管路的振動由其本身的排氣脈動引起，針對這一振動源， 在設(shè)計階段必須進(jìn)行管路脈動分析，嚴(yán)格根據(jù)脈動分析的結(jié)果進(jìn)行管路應(yīng)力分析。 在現(xiàn)場配管時，現(xiàn)場管路支撐、管路支撐型式等嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙規(guī)范施工，利用專用沉臺和重型管夾將振動源處進(jìn)行固定，對振動疊加點采用了彈簧支吊架緩振。 通過這一系列的措施，管路振動可大幅降低，機身的振動也能得到有效控制。

2.1.2 現(xiàn)場安裝階段

施工質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)、配管應(yīng)力集中等安裝質(zhì)量問題也是影響壓縮機壽命的因素之一。 往復(fù)式壓縮機安裝時一次找正、二次找正、聯(lián)軸器對中、主軸瓦安裝及連桿瓦安裝等均需根據(jù)相關(guān)規(guī)范和制造商要求執(zhí)行。

配管應(yīng)力問題常被忽略，無論往復(fù)式壓縮機還是離心式壓縮機均需進(jìn)行無應(yīng)力配管，壓縮機組進(jìn)出口管線接管安裝質(zhì)量的好壞與機組本體的質(zhì)量精度密切相關(guān)， 在進(jìn)出口接管施工后，接管裝配應(yīng)力過大會導(dǎo)致聯(lián)軸器同心度出現(xiàn)偏差，偏差過大時易引起機組的振幅超標(biāo)、 軸承過熱，嚴(yán)重時可導(dǎo)致壓縮機損壞。 因此，為使接管及組對焊接無任何外力作用在機組本體上，應(yīng)實行無應(yīng)力接管，即嚴(yán)格控制壓縮機接口法蘭安裝的平行偏差、間隙均在規(guī)范限定的范圍內(nèi)，這對確保壓縮機組的安裝精度，保證壓縮機運行時無附加應(yīng)力，起到了至關(guān)重要的作用［2，3］。

2.1.3 使用維護(hù)

往復(fù)式壓縮機使用過程中，如果使用維護(hù)和點檢不到位，不能及時發(fā)現(xiàn)隱患，直到壓縮機故障跳機或無法運行時再停機檢修的話，檢修費用高，檢修周期也很長，尤其是部分故障對壓縮機的部件損傷大，如氣缸嚴(yán)重磨損、主軸瓦損壞嚴(yán)重及主軸受損等致命性故障嚴(yán)重影響到壓縮機平衡，壓縮機通過檢修，難以達(dá)到最佳運行點，無法保證壓縮機穩(wěn)定運行。 因此，對壓縮機主軸箱、各級氣缸等幾個關(guān)鍵部位增加了在線測振儀，實時監(jiān)測壓縮機運行振動加速度、速度、位移、波形和頻譜（圖1為手機端顯示畫面），同步將軸瓦溫度、 氣缸溫度及振動速度值等數(shù)據(jù)上傳分析，并繪制趨勢圖等， 可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析判斷壓縮機狀態(tài)，做好預(yù)防性維護(hù)、檢修等工作。

圖1 手機端振動數(shù)據(jù)監(jiān)測

運行維護(hù)和點檢時壓縮機油品的好壞對軸瓦等關(guān)鍵摩擦副影響很大， 在日常設(shè)備管理中，引入某公司專業(yè)管理咨詢團(tuán)隊，對潤滑油管理的油品存放、進(jìn)油五定三過濾、加油點標(biāo)識、潤滑油斑點法測試、油桶出油干燥器檢測等潤滑油管理各個過程進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化管理，同時定期進(jìn)行油品分析，嚴(yán)控潤滑油中的水分、黏度、pH值、殘?zhí)?、機械雜質(zhì)和金屬元素等關(guān)鍵指標(biāo)，確保壓縮機軸瓦和滑道部件能夠有效潤滑，最大可能消除磨損引起的設(shè)備故障［4］。

在對原有往復(fù)式壓縮機加以改造的前提下，對后續(xù)新項目訂貨的往復(fù)式壓縮機曲軸采用全平衡設(shè)計（圖2）。 傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機主軸兩側(cè)的連桿前后存在位差，不在同一軸線上，主軸帶動連桿運動時，兩連桿帶著十字頭在主軸的兩側(cè)一前一后做往復(fù)運動， 這樣主軸存在較大的扭矩，主軸瓦、連桿瓦均受到不同程度的應(yīng)力，經(jīng)過一段時間的運行后，主軸瓦、連桿瓦出現(xiàn)磨損，壓縮機主軸瓦、連桿瓦的工作壽命一般為4 000～8 000 h，壓縮機難以保證長周期運行。 而將連桿設(shè)計為全平衡連桿時，主軸兩側(cè)的連桿在一條線上，且經(jīng)過精確設(shè)計計算，主軸兩側(cè)的配重基本一致， 壓縮機的運行振動或比以往的成倍減少，且轉(zhuǎn)速可提升，最高轉(zhuǎn)速達(dá)1 900 r/min，降低壓縮機振動提高壓縮運行時長的同時，壓縮機效率也得到提升。 整體機身的設(shè)計，可以較好地保證主軸度的同時，機身各部件受熱應(yīng)力變形的影響較小，壓縮機的振動可大幅降低。

圖2 全平衡設(shè)計曲軸

2.2 泄漏點較多的原因分析及改進(jìn)措施

往復(fù)式壓縮機自投用以來，泄漏問題是一大難題，填料泄漏、隔離室氮氣耗氣、潤滑油的泄漏等，直接影響到生產(chǎn)安全、現(xiàn)場面貌及檢修費用等。 填料泄漏是活塞壓縮機特有的泄漏形式，壓縮機運行時，活塞向曲軸箱方向運動，高壓氣體進(jìn)入填料盒。 填料環(huán)在氣體力的作用下形成3個密封面：徑向環(huán)端面與切向環(huán)端面貼合形成密封面、 切向環(huán)內(nèi)表面與活塞桿表面貼合形成密封面、切向環(huán)端面與下一級填料盒端面貼合形成密封面。 這3個密封面共同作用，阻止氣體泄漏。 活塞反向運動時，氣體通過徑向環(huán)的切口間隙流回氣缸［5］。 但隨著運行時間的增長，壓縮機的活塞桿、填料磨損嚴(yán)重，泄漏量就會隨之增加，泄漏量較大，對物料造成浪費的同時，安全生產(chǎn)無法保證。

針對泄漏量大的往復(fù)式壓縮機，分析其原因主要為填料處溫度高達(dá)106 ℃，針對這一情況，對填料盒進(jìn)行改造， 增加水冷以降低填料運行溫度，延長填料的使用壽命；增加填料氮封，通過壓力平衡，減少工藝氣體的泄漏量；在填料氮封氣漏氣管設(shè)置測溫點，通過溫度變化判斷填料泄漏量。 此外嚴(yán)格控制壓縮機活塞桿跳動量，跳動量控制在API 618規(guī)定和壓縮機廠家運行的范圍內(nèi)。通過這一系列的改造，在不改變原填料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，填料的漏氣量達(dá)到萬分之五左右。

氮氣也是往復(fù)式壓縮機的一個高消耗氣體，原有壓縮機為雙隔離室結(jié)構(gòu)，氮氣流程簡圖如圖3所示。 填料密封氮氣①進(jìn)入填料盒起密封作用，泄漏的填料密封氮氣和泄漏物料氣通過泄漏氣回收口⑤安全排放至尾氣系統(tǒng)；減壓后氮氣③進(jìn)入中間隔離室起氮封作用，少量的泄漏氮氣通過隔離室填料泄漏至兩側(cè)腔體；減壓后氮氣②進(jìn)入隔離室起安全隔離作用，通過隔離放空口④直接排放至尾氣系統(tǒng)； 這種結(jié)構(gòu)的氮氣②屬于直排氣，一旦投用就一直有氮氣源源不斷地往尾氣系統(tǒng)排放，常年耗氣量比較大。

圖3 原壓縮機氮氣密封氣流程圖

經(jīng)過對氮氣密封氣密封流程和隔離室填料密封結(jié)構(gòu)稍作改進(jìn)（圖4），減壓后氮氣②進(jìn)入隔離室填料盒，填料對氮氣起到密封作用，少量的泄漏氮氣通過隔離放空口④排放至尾氣系統(tǒng)；這一改進(jìn)措施， 大幅減少了氮氣系統(tǒng)的泄漏量，節(jié)約生產(chǎn)成本的同時，降低了尾氣處理的壓力。

圖4 改進(jìn)后壓縮機氮氣密封氣流程圖

對于主軸箱密封面、中體密封面，以往的壓縮機采用青稞紙、密封膠的形式密封，但這些密封部位的密封面粗糙度低遠(yuǎn)達(dá)不到密封的要求，經(jīng)過反復(fù)檢修，漏油的部位依然存在，且檢修周期長，檢修費用較高。 針對此問題，對主軸箱、中體密封面漏油處結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改造，在密封面加工O形圈密封槽，采用O形圈密封，有效解決了壓縮機泵體漏油的現(xiàn)象， 在壓縮機一個大修周期內(nèi)，漏油點幾乎為零。

氣、油管路漏氣、漏油處多為測溫、測壓點的螺紋連接處。 螺紋密封本來可靠性差、壓縮機運行帶有振動，加速螺紋連接處泄漏，測溫點增加套管、套管與管道焊接，能較好地根除泄漏問題，但對于測壓點的泄漏點，本公司設(shè)備專業(yè)管理團(tuán)隊經(jīng)過多次消漏嘗試，如打密封膠、加密封墊等效果均不佳，運行一段時間后均有滲漏出現(xiàn)。 后期與密封廠家、壓縮機廠家等交流，經(jīng)過多次改進(jìn)采用加厚紫銅墊+油麻+厭氧密封膠的密封形式，加厚紫銅墊可以補償螺紋加工的偏差，油麻和密封膠防止油的分子級滲透，這在壓縮機系統(tǒng)的消漏取得了較好的效果，達(dá)到了現(xiàn)場無泄漏的管理目標(biāo)。

3 往復(fù)式壓縮機改進(jìn)后的應(yīng)用成效

通過改造， 壓縮機及其管路振動大幅降低，軸瓦、活塞、填料的磨損情況得到明顯改善，檢修頻率大幅度降低，壓縮機達(dá)到三年一大修一年一小修目標(biāo)，年檢修成本降低為原來的三分之一。

壓縮機泄漏量、泄漏點有效減少，填料泄漏基本在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，節(jié)約原料成本的同時，安全性得到有力保證。 油、氣管路泄漏點得到徹底消除，降低現(xiàn)場維護(hù)難度，改善現(xiàn)場面貌。

4 結(jié)束語

該公司原往復(fù)式壓縮機的改造非常成功，從機組的穩(wěn)定性、安全環(huán)保排放、節(jié)能和運行成本、檢修成本等方面都有較大的進(jìn)步，該公司在改造過程中的工藝設(shè)計優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計選型、維護(hù)優(yōu)化經(jīng)驗， 也為其他相似工況提供了借鑒意義，積累了寶貴的經(jīng)驗。