往復(fù)式壓縮機(jī)十字頭磨損原因分析及對(duì)策

劉明洪 ， 趙 華 ， 王銀盤(pán)

(洛陽(yáng)金達(dá)石化有限責(zé)任公司 ， 河南 洛陽(yáng) 471012)

洛陽(yáng)金達(dá)石化寬餾分裝置為高壓加氫裝置，兩臺(tái)循環(huán)氫壓縮機(jī)主要為反應(yīng)系統(tǒng)提供大量循環(huán)氫參與物料反應(yīng)，一開(kāi)一備。該壓縮機(jī)屬于往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，采用臥式雙作用布置，主電機(jī)轉(zhuǎn)速為596r/min，采用變頻控制，設(shè)計(jì)變頻調(diào)節(jié)范圍60%～100%，原設(shè)計(jì)入口壓力16.0 MPa，出口壓力為18.5 MPa。十字頭體和十字頭銷(xiāo)采用直接聯(lián)接，無(wú)襯套，十字頭和十字頭銷(xiāo)配合處在十字頭上開(kāi)有油槽對(duì)運(yùn)動(dòng)部位進(jìn)行潤(rùn)滑。

該裝置在開(kāi)工過(guò)程中發(fā)生了十字頭嚴(yán)重磨損事故，隨著開(kāi)工過(guò)程中系統(tǒng)壓力逐漸升高，操作人員發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)機(jī)身潤(rùn)滑油變黑。此時(shí)該壓縮機(jī)入口壓力為14.7 MPa，出口壓力15.2 MPa，為控制升壓速度，當(dāng)時(shí)主電機(jī)變頻輸出為65%，起初懷疑是潤(rùn)滑油變質(zhì)導(dǎo)致。因此操作人員及時(shí)對(duì)機(jī)身潤(rùn)滑油更換，3天后這臺(tái)壓縮機(jī)機(jī)身潤(rùn)滑油重新變?yōu)楹谏?dāng)時(shí)該壓縮機(jī)入口壓力為15.5 MPa，出口壓力16.2 MPa，主電機(jī)變頻仍然為65%。化驗(yàn)人員對(duì)壓縮機(jī)機(jī)身潤(rùn)滑油采樣分析后確認(rèn)潤(rùn)滑油黏度、水分、酸值等各項(xiàng)指標(biāo)正常，但是發(fā)現(xiàn)有較多的象鐵屑一樣的雜質(zhì)，初步分析可能是由于新設(shè)備磨合過(guò)程中零件磨損造成。之后在裝置在開(kāi)工期間對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行切換作業(yè)，啟動(dòng)備用循環(huán)氫壓縮機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承箱內(nèi)傳出異響，緊急停機(jī)后檢修人員對(duì)曲軸箱內(nèi)各運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該壓縮機(jī)左側(cè)的十字頭和十字頭銷(xiāo)靠近氣缸側(cè)結(jié)合處有嚴(yán)重磨損的凹槽，該凹槽深度將近2.7 mm，右側(cè)同樣位置凹槽深度約2.3 mm，而十字頭銷(xiāo)和十字頭配合間隙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為0.06～0.09 mm，因此該壓縮機(jī)兩個(gè)十字頭體由于磨損嚴(yán)重，上面的潤(rùn)滑油槽已被磨掉，潤(rùn)滑部位失去潤(rùn)滑，基本報(bào)廢。基于上述異?，F(xiàn)象，推斷由于十字頭銷(xiāo)單方向受壓應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間潤(rùn)滑不良導(dǎo)致十字頭銷(xiāo)和十字頭結(jié)合處出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

1 活塞桿負(fù)荷即綜合活塞力分析

壓縮機(jī)在做功過(guò)程中，活塞桿及所有傳動(dòng)部件都受壓力或拉力，從而使十字頭銷(xiāo)壓在連桿小頭襯套的一側(cè)出現(xiàn)間隙，使?jié)櫥瓦M(jìn)入潤(rùn)滑腔內(nèi)，對(duì)十字頭銷(xiāo)和連桿小頭襯套進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，這時(shí)十字頭銷(xiāo)和連桿小頭襯套處于正常潤(rùn)滑狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)異常磨損情況；但是如果壓縮機(jī)做功過(guò)程中，活塞桿及十字頭只受到一個(gè)方向的力，十字頭銷(xiāo)總壓在連桿小頭襯套和十字頭的一側(cè)，那么受壓的一側(cè)始終沒(méi)有間隙，十字頭銷(xiāo)和連桿小頭襯套之間以及十字頭銷(xiāo)和十字頭之間也就沒(méi)有潤(rùn)滑和冷卻，此時(shí)這些潤(rùn)滑部位的運(yùn)動(dòng)部件極易發(fā)生嚴(yán)重磨損。要保證十字頭銷(xiāo)和連桿小頭襯套及十字頭之間的正常潤(rùn)滑，活塞桿的負(fù)荷也就是綜合活塞力在壓縮機(jī)做功過(guò)程中必須發(fā)生方向的變化，且要保證負(fù)荷反向有足夠長(zhǎng)的時(shí)間[1]。

綜合活塞力反向必須持續(xù)一定的時(shí)間，保證潤(rùn)滑油充分進(jìn)入潤(rùn)滑油路對(duì)摩擦副進(jìn)行潤(rùn)滑。這個(gè)時(shí)間以曲軸轉(zhuǎn)角表示成為“反向角”。API618規(guī)定反向角≥15°。一般來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有綜合活塞力反向或者沒(méi)有足夠大的反向角，十字頭、十字頭銷(xiāo)及連桿小頭襯套會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高溫并急劇磨損。

壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的作用力主要有三類(lèi)：①往復(fù)質(zhì)量與不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量造成的慣性力；②氣體壓力所造成的作用力；③接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。這三種作用力的合力成為綜合活塞力[2]。

當(dāng)綜合活塞力指向氣缸側(cè)時(shí)，十字頭銷(xiāo)緊壓在連桿小頭襯套的氣缸側(cè)，見(jiàn)圖1。十字頭銷(xiāo)和連桿小頭襯套及十字頭體(或十字頭襯套)在曲軸側(cè)進(jìn)行正常的潤(rùn)滑和冷卻；當(dāng)綜合活塞力反向時(shí)指向曲軸側(cè)，此時(shí)十字頭銷(xiāo)緊壓在連桿小頭襯套的曲軸側(cè)，十字頭銷(xiāo)和連桿小頭襯套在氣缸側(cè)進(jìn)行正常的潤(rùn)滑和冷卻，見(jiàn)圖2。

圖1 綜合活塞力指向氣缸側(cè)

圖2 綜合活塞力指向曲軸側(cè)

可見(jiàn)只有當(dāng)反向角足夠大時(shí)，才能讓十字頭銷(xiāo)和連桿小頭襯套及十字頭兩側(cè)得到充分的潤(rùn)滑和冷卻。因此，對(duì)該壓縮機(jī)在不同工況下的綜合活塞力進(jìn)行分析，并繪制出趨勢(shì)圖就可以找到答案。

2 原因分析

對(duì)壓縮機(jī)在磨損發(fā)生時(shí)的工況進(jìn)行熱力計(jì)算、動(dòng)力計(jì)算和綜合活塞力分析。

機(jī)型型號(hào)：DW-2.33/162-185型循環(huán)氫壓縮機(jī)，機(jī)型2D，轉(zhuǎn)速385 r/min，行程180 mm，活塞桿徑Φ50 mm，名義活塞力55 kN。

氣體介質(zhì)成分(只列出前6種)：循環(huán)氫系統(tǒng)CH4，8.199%；C2H6，2.684%；C3H8，3.148%；n-C4H10，0.876%；H2，84.28%；N2，0.569%。

2.1 熱力計(jì)算

循環(huán)氫系統(tǒng)1級(jí)，進(jìn)壓14.7 MPa，排壓15.2 MPa，壓力比1.04，進(jìn)溫50.0 ℃，排溫53.3 ℃，絕熱指數(shù)1.354 6，膨脹指數(shù)1.354 6，缸內(nèi)進(jìn)壓14.967 6 MPa，缸內(nèi)排壓15.665 5 MPa，缸內(nèi)壓比1.046 6，缸內(nèi)排溫53.876 6 ℃，實(shí)際排氣量12 345.59 Nm3/h。各氣缸列數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 各氣缸列數(shù)據(jù)

2.2 動(dòng)力計(jì)算

2.2.1計(jì)算參數(shù)(見(jiàn)表2)

表2 動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

2.2.2作用力極值及飛輪距數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)

切向力和飛輪距數(shù)據(jù)：飛輪距2 296.02 kg/m2，平均切向力6.614 kN，熱力計(jì)算切向力6.697 kN。

表3 作用力極值及角度

2.3 綜合活塞力分析

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制了第Ⅰ列及第Ⅱ列的氣體力、綜合活塞力、慣性力、切向力圖。如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，該工況下綜合活塞力沒(méi)有發(fā)生方向的變化，且指向氣缸側(cè)，結(jié)果表明，在壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，第1列和第2列的十字頭銷(xiāo)和十字頭結(jié)合處(靠近氣缸側(cè))出現(xiàn)嚴(yán)重的潤(rùn)滑不良 ，導(dǎo)致磨損的加劇。由于該工況下由于壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，造成壓縮機(jī)的慣性力較小，無(wú)法平衡掉壓縮機(jī)的氣體力，使壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中無(wú)法產(chǎn)生反向角，因此導(dǎo)致十字頭及連桿小頭襯套磨損的發(fā)生。開(kāi)工過(guò)程中雖然壓縮機(jī)出入口的壓力有所上升，入口壓力為15.5 MPa，出口壓力16.2 MPa，但是主電機(jī)變頻沒(méi)有發(fā)生變化，也就是壓縮機(jī)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速和工況一樣，壓縮機(jī)的慣性力沒(méi)有發(fā)生變化，該工況下仍舊沒(méi)有綜合活塞力方向的變化，表明壓縮機(jī)在運(yùn)行中仍然沒(méi)有產(chǎn)生反向角，所以壓縮機(jī)機(jī)身潤(rùn)滑油變黑主要原因還是十字頭和連桿小頭襯套磨損造成的。

圖4 第Ⅰ列的氣體力、綜合活塞力、慣性力、切向力圖

圖5 第Ⅱ列的氣體力、綜合活塞力、慣性力、切向力圖

3 對(duì)策

慣性力的大小和曲軸角速度大小的平方成正比，所以曲軸角速度的大小對(duì)壓縮機(jī)慣性力影響巨大。通過(guò)增大壓縮機(jī)曲軸的角速度，可以大幅度提高壓縮機(jī)的慣性力，而壓縮機(jī)曲軸的角速度變化可以通過(guò)調(diào)節(jié)主電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。因此，通過(guò)增大壓縮機(jī)主電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的反向角大小。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速增大為596 r/min后，分別進(jìn)行壓縮機(jī)的熱力學(xué)計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算，最后繪制出壓縮機(jī)的綜合活塞力曲線圖。

3.1 熱力計(jì)算

循環(huán)氫系統(tǒng)1級(jí)，進(jìn)壓16.5 MPa，排壓17.5MPa，壓力比1.0606，進(jìn)溫50.0℃，排溫55.0136 ℃，絕熱指數(shù)1.354 6，膨脹指數(shù)1.354 6，缸內(nèi)進(jìn)壓16.417 3 MPa，缸內(nèi)排壓17.668 2 MPa，缸內(nèi)壓比1.076 2，缸內(nèi)排溫56.714 8 ℃，實(shí)際排氣量207 14.25 Nm3/h。各氣缸列數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 各氣缸列數(shù)據(jù)

3.2 動(dòng)力計(jì)算

計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 計(jì)算參數(shù)

作用力極值及飛輪距數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

切向力和飛輪距：飛輪距1 014.57 kg/m2，平均切向力11.645 kN，熱力計(jì)算切向力11.86 kN。

3.3 綜合活塞力分析

作用力極值及角度見(jiàn)表6。根據(jù)表6數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制了第Ⅰ列及第Ⅱ列的氣體力、綜合活塞力、慣性力、切向力圖。如圖6、圖7所示。

表6 作用力極值及角度

從圖6和圖7可以看出 ，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速提高后，壓縮機(jī)的綜合活塞力在壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中方向發(fā)生了變化，意味著壓縮機(jī)有了反向角且大于15°，基本滿足壓縮機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。但是，反向角還不足夠大，一旦操作人員操作不當(dāng)，很容易造成反向角太小，甚至沒(méi)有反向角。所以，在平時(shí)的壓縮機(jī)操作中特別規(guī)定不同工況中應(yīng)該有不同的轉(zhuǎn)速。例如，壓縮機(jī)空負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)，可以將主電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在額定轉(zhuǎn)速的60%左右，正常工作中主電機(jī)應(yīng)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，防止誤操作造成壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)沒(méi)有反向角。

圖6 第Ⅰ列的氣體力、綜合活塞力、慣性力、切向力圖

圖7 第Ⅱ列的氣體力、綜合活塞力、慣性力、切向力圖

實(shí)際上，壓縮機(jī)在運(yùn)行中，氣體力大小的變化也會(huì)影響到壓縮機(jī)反向角的大小變化。例如，吸排氣閥的損壞、活塞環(huán)的磨損造成氣缸內(nèi)高壓側(cè)氣體和低壓側(cè)串氣，這些因素都會(huì)影響氣體力的大小，從而造成壓縮機(jī)反向角的改變。

4 結(jié)論

往復(fù)式壓縮機(jī)在投產(chǎn)運(yùn)行后，如果工況和設(shè)計(jì)條件不符，發(fā)生較大的變化，可能會(huì)造成壓縮機(jī)運(yùn)行中反向角減小甚至消失，導(dǎo)致壓縮機(jī)綜合活塞力沒(méi)有發(fā)生方向變化，造成十字頭和連桿大頭瓦潤(rùn)滑不良，從而引發(fā)壓縮機(jī)十字頭襯套、十字頭銷(xiāo)和十字頭配合處、連桿大頭瓦發(fā)生嚴(yán)重的磨損，甚至發(fā)生設(shè)備事故，危及人身安全。此時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)生產(chǎn)工況和設(shè)備工況進(jìn)行調(diào)整，保證壓縮機(jī)的安全運(yùn)行。在正常生產(chǎn)中，由于壓縮機(jī)的氣閥、活塞環(huán)這些易損件的故障也會(huì)影響壓縮機(jī)反向角的變化，所以要定期對(duì)壓縮機(jī)的易損件進(jìn)行檢查維護(hù)，出現(xiàn)故障要及時(shí)處理，杜絕帶病運(yùn)行，從而在根源上預(yù)防壓縮機(jī)反向角減小，做到保證壓縮機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行。