高壓往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿斷裂等故障研究

范鐵生

（中國(guó)石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

0 引言

某石化公司塑料廠20 萬(wàn)t/a高壓低密度聚乙烯（LDPE/EVA）裝置采用德國(guó)Basll公司LUPOTECHTR專(zhuān)利技術(shù)，由意大利TECNIMONT公司承建，裝置于2005年7月建成投用。該裝置具有一臺(tái)高壓五級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)，作用是將原料乙烯介質(zhì)升壓至二次機(jī)入口壓力，是裝置生產(chǎn)所必須滿(mǎn)足的條件之一，公司級(jí)關(guān)鍵機(jī)組，裝置投產(chǎn)12 a以來(lái)，該壓縮機(jī)最高壓力級(jí)五段氣缸的活塞桿多次發(fā)生斷裂故障及活塞桿表面涂層劃傷故障，同時(shí)活塞桿沉降波動(dòng)大五段氣缸高壓填料和尾桿填料使用周期短，嚴(yán)重制約裝置的長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)，通過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和理論研究，終于找到了造成上述故障的根本原因和解決措施，通過(guò)改造增設(shè)一套獨(dú)立注油系統(tǒng)，活塞桿的斷裂和表面異常劃傷故障得以徹底解決，高壓填料和尾桿填料壽命提高3倍以上，切實(shí)保證了裝置安全長(zhǎng)周期生產(chǎn)，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

壓縮機(jī)性能參數(shù)如表1所示。

表1 高壓柱塞泵參數(shù)表

1 故障研究技術(shù)分析

臥式往復(fù)壓縮機(jī)一般會(huì)在活塞上安裝非金屬導(dǎo)向環(huán)以減小活塞環(huán)的磨損并避免活塞與氣缸的直接接觸從而損壞缸套，因此需對(duì)導(dǎo)向環(huán)的磨損量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本裝置壓縮機(jī)五段填料函端部設(shè)有一對(duì)互成90°的電渦流傳感器，當(dāng)導(dǎo)向環(huán)磨損后活塞桿會(huì)下沉，將導(dǎo)致傳感器探頭與活塞桿的間隙發(fā)生變化并引起間隙電壓的變化，傳感器測(cè)得的桿沉降值與導(dǎo)向環(huán)的磨損量成正比。圖1所示為活塞桿沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖[1]，由相似三角形原理可得實(shí)際沉降值A(chǔ)=B（L1+L2）/L1。其中B為測(cè)量值。

圖1 活塞桿沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

活塞桿沉降監(jiān)測(cè)的設(shè)置目的是監(jiān)測(cè)導(dǎo)向環(huán)的磨損量，減緩各個(gè)易損件的磨損速度就可以穩(wěn)定活塞桿的沉降。經(jīng)研究，造成活塞桿沉降波動(dòng)的主要因素包括工藝介質(zhì)中雜質(zhì)的影響、活塞環(huán)等安裝裝配質(zhì)量的影響、活塞環(huán)及活塞硬度不匹配的影響、潤(rùn)滑油注入量過(guò)大或過(guò)少的影響。下面將結(jié)合檢修和設(shè)備運(yùn)行情況對(duì)影響因素進(jìn)行逐個(gè)分析。

工藝介質(zhì)的氣體成分含量主要為乙烯，介質(zhì)非常潔凈，因此該因素不會(huì)造成五段活塞桿沉降波動(dòng)。每次檢維修過(guò)程均嚴(yán)格按照檢修規(guī)程操作，嚴(yán)格檢驗(yàn)氣缸圓度及圓柱度、活塞環(huán)開(kāi)口及間隙、氣缸的水平度等，運(yùn)行后五段活塞桿沉降仍不平穩(wěn)，未從根本上解決五段活塞桿沉降波動(dòng)的問(wèn)題。

經(jīng)查驗(yàn)五段活塞桿材質(zhì)為AISI4140，活塞環(huán)及支撐環(huán)材質(zhì)為VESPEL，用硬度計(jì)對(duì)其表面測(cè)量硬度，取平均值作為其硬度值，硬度分別為122、120 HRB，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，由于慣性力作用，活塞環(huán)與活塞環(huán)槽、支撐環(huán)與支撐環(huán)槽的側(cè)壁會(huì)頻繁發(fā)生撞擊和摩擦[2]，如果兩者材質(zhì)硬度相差較大的話(huà)，就會(huì)加速槽或環(huán)的磨損，從檢驗(yàn)結(jié)果看，兩者硬度相差不大，該因素不是造成五段活塞桿沉降波動(dòng)的原因。

往復(fù)式壓縮機(jī)不同于普通壓縮機(jī)，其主要采用強(qiáng)制潤(rùn)滑方式，活塞環(huán)在壓縮機(jī)工作過(guò)程中主要起兩個(gè)作用：一是起密封氣體的作用，二是活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中起刮油和布油的作用，以圖2為例對(duì)其潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行分析，當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸“1”室中的壓力較低，為吸氣狀態(tài)，吸氣閥A打開(kāi)，排氣閥C關(guān)閉，氣缸“2”室中的壓力較高，為排氣狀態(tài)，吸氣閥B關(guān)閉，排氣閥D打開(kāi)，活塞環(huán)在右側(cè)高壓氣體的作用下向左運(yùn)動(dòng)，直至緊靠活塞環(huán)槽左側(cè)的環(huán)形端面，當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，活塞環(huán)經(jīng)過(guò)注油點(diǎn)時(shí)將氣缸鏡面上的潤(rùn)滑油刮下，儲(chǔ)存于活塞與活塞環(huán)之間形成的環(huán)形槽內(nèi)，由于氣缸上的注油點(diǎn)數(shù)量是有限的，且位置固定，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到?jīng)]有注油點(diǎn)的位置時(shí)，儲(chǔ)存于環(huán)槽內(nèi)的潤(rùn)滑油在活塞環(huán)的擠壓作用下被壓出，均勻地分布在氣缸鏡面上，如此往復(fù)，使得氣缸和活塞環(huán)之間形成具有一定壓力的動(dòng)力油膜，使得摩擦副之間處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。由潤(rùn)滑機(jī)理分析可知，如果活塞桿與氣缸保持水平且活塞環(huán)與氣缸沒(méi)有缺陷，則潤(rùn)滑效果主要取決于注油量。

圖2 往復(fù)式壓縮機(jī)潤(rùn)滑機(jī)理示意圖[3]

圖3 五段活塞桿斷裂處圖

該氣缸故障頻繁并且每次的故障現(xiàn)象基本相同，研究往復(fù)式壓縮機(jī)易損件壽命短、引起活塞桿沉降波動(dòng)的原因，結(jié)合以往檢修和設(shè)備運(yùn)行情況，填料環(huán)和活塞桿表面基本沒(méi)有形成油膜，活塞桿碳化鎢涂層表面出現(xiàn)劃痕處有過(guò)熱痕跡，雖然活塞桿沉降值波動(dòng)很大，但是支撐環(huán)并沒(méi)有磨損，每次檢修時(shí)現(xiàn)象基本一致，基本可以確定活塞桿沉降波動(dòng)大，高壓填料失效和活塞桿表面出現(xiàn)劃痕甚至斷裂的原因，是由于潤(rùn)滑油注入量過(guò)少導(dǎo)致在活塞桿高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦過(guò)熱引起的。

確定了潤(rùn)滑油注入量是影響本裝置壓縮機(jī)五段活塞桿沉降波動(dòng)和活塞桿及高壓填料損壞的關(guān)鍵因素，由于往復(fù)壓縮機(jī)氣缸潤(rùn)滑油注入量過(guò)大會(huì)造成液擊現(xiàn)象，因此需要再通過(guò)分析壓縮機(jī)潤(rùn)滑機(jī)理，結(jié)合往復(fù)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油用量公式計(jì)算結(jié)果和廠家建議注油量，最終核算出一個(gè)較為合理的潤(rùn)滑油用量。

2 壓縮機(jī)氣缸注油量計(jì)算

目前壓縮機(jī)潤(rùn)滑用油量Q的計(jì)算公式主要有以下兩個(gè)：

摩擦面積型用油量Q1（g/h）[4]為

式中：A為單位時(shí)間內(nèi)摩擦面積，m2/min，對(duì)于氣缸，A=2πDSn，對(duì)于填料，A=2πdSn；D為氣缸直徑，m；d為活塞桿直徑，m；S為活塞行程，m；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；a1為每克油可潤(rùn)滑的摩擦面積，m2/g；對(duì)于高壓氣缸和填料a1的取值要小一些，即相同摩擦面積時(shí)，供油量要大一些，一般取40 m2/g。壓差型用油量Q2（g/h）[5]為

式中：Q缸=1.2πD（S+L1）nk；Q填=3πD（S+L2）nk；d、S、n含義與式（1）相同；L1為活塞長(zhǎng)度，m；L2為填料軸向總長(zhǎng)度，m；k為以壓差值Δp為變量的擬合線(xiàn)性函數(shù)，k=0.08Δp；Δp為氣缸出口壓力與進(jìn)口壓力壓差，MPa。

本裝置壓縮機(jī)五段有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：氣缸直徑D=0.175 m，活塞桿直徑d=0.11 m，活塞行程S=0.38 m，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n=328 r/min，活塞桿長(zhǎng)度L1=3.258 m，填料軸向總長(zhǎng)度L2=0.45 m，壓差Δp=18 MPa，k=1.44。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各公式計(jì)算結(jié)果及最終確定注油量

3 故障原因

由表2可以看出，除摩擦面積型公式計(jì)算得出的填料潤(rùn)滑油量和廠家推薦的潤(rùn)滑油量相同以外，其余各個(gè)算法與廠家的推薦注油量存在一定偏差，廠家建議的注油量普遍偏低。

因此可以確定造成故障的根本原因是五段氣缸潤(rùn)滑油設(shè)計(jì)注油量過(guò)少，在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)中活塞環(huán)與缸套間、活塞桿與填料環(huán)間均無(wú)法形成良好的潤(rùn)滑油膜，摩擦過(guò)大并局部過(guò)熱，引起填料環(huán)和活塞桿的損壞。

4 解決措施

由表2可以看出摩擦面積型公式的計(jì)算值與廠家建議值較為接近，該理論認(rèn)為實(shí)際摩擦面積只與行程有關(guān)，而與活塞和填料長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，而壓差型公式則將活塞和填料內(nèi)孔長(zhǎng)度方向的面積全部考慮進(jìn)去計(jì)算，計(jì)算結(jié)果一定程度上被擴(kuò)大了，結(jié)合廠家建議的注油量，采用摩擦面積型公式計(jì)算的結(jié)果更為合理，因此將五段氣缸注油量調(diào)節(jié)至3.8 mL/min，對(duì)于填料注油量則結(jié)合了目前設(shè)備的運(yùn)行狀況，權(quán)衡了兩種公式的計(jì)算結(jié)果，決定將五段氣缸側(cè)填料注油量調(diào)節(jié)至2.4 mL/min，五段尾桿側(cè)填料注油量調(diào)節(jié)至2.4 mL/min。

最后將現(xiàn)有潤(rùn)滑油注入系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)改造、調(diào)節(jié)并提高注油量至核算值，項(xiàng)目實(shí)施后利用設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備拆檢結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明重新核算的潤(rùn)滑油量較為合理，可以滿(mǎn)足現(xiàn)有工況下設(shè)備的潤(rùn)滑需求。

由于核算的注油量已超出現(xiàn)有潤(rùn)滑油注入系統(tǒng)的注油能力，因此需新增一套單柱塞真空滴油式注油器，新增的潤(rùn)滑油注油系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、減速器、5個(gè)注油器單體、相關(guān)入出口管線(xiàn)及單向閥，該系統(tǒng)補(bǔ)油管線(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑油箱底部法蘭相連，通過(guò)浮球液位控制器控制該系統(tǒng)液位恒定，將原注油系統(tǒng)五條注油管線(xiàn)上接頭改為三通，5個(gè)新增注油器單體的出口即通過(guò)該三通與原注油管線(xiàn)相連，同時(shí)新增注油線(xiàn)出口還設(shè)有針閥，可將原注油系統(tǒng)和新增注油系統(tǒng)隔離切斷，此外新增注油線(xiàn)出口均設(shè)有單向閥，防止原注油線(xiàn)潤(rùn)滑油竄入至新增注油線(xiàn)中，可保證兩套系統(tǒng)潤(rùn)滑油匯合后共同注入到注油點(diǎn)中，將注油量提升至核算值，最終達(dá)到了增加潤(rùn)滑油注入量、有效改善一次機(jī)五段潤(rùn)滑條件的目的。

5 效果驗(yàn)證

該措施實(shí)施24個(gè)月后對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)五段活塞桿、活塞環(huán)、支撐環(huán)、填料表面潤(rùn)滑油充足，填料環(huán)完好，活塞桿表面無(wú)劃痕、碳化鎢涂層完好，超出了以往使用周期3倍，且以核算注油量注油后五段填料泄漏量較低、活塞桿沉降穩(wěn)定，對(duì)五級(jí)進(jìn)氣閥和排氣閥進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)閥片全部完好，沒(méi)有任何液擊現(xiàn)象。

6 結(jié)論

改造結(jié)果表明，該故障原因分析準(zhǔn)確，措施有效，注油量核算結(jié)果較為合理，以該注油量注油解決了一次機(jī)五段易損件壽命短、活塞桿沉降波動(dòng)大的問(wèn)題，節(jié)省了備件費(fèi)用，突破了限制裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的瓶頸，大大減少了生產(chǎn)波動(dòng)，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，利于裝置的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)生產(chǎn)。