DW-107/7-X 型活塞壓縮機(jī)活塞環(huán)磨損過(guò)快的原因及處理措施

夏 旭

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，株洲 412002）

1 故障現(xiàn)象

某站配置的4 臺(tái)DW-107/7-X 型活塞式壓縮機(jī)組（站內(nèi)編號(hào)為1#～4#），由神鋼無(wú)錫壓縮機(jī)股份有限公司生產(chǎn)制造。該型壓縮機(jī)主要由機(jī)身、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、活塞、氣缸、進(jìn)氣緩沖器、排氣緩沖器及冷卻器等部件構(gòu)成。壓縮機(jī)通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛钊跉飧字械耐鶑?fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。由氣缸、活塞及氣閥組成的工作容積的周期性變化，使氣體在缸內(nèi)周而復(fù)始地完成膨脹、吸氣、壓縮和排氣4 個(gè)過(guò)程，工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 往復(fù)式活塞壓縮機(jī)工作原理

4 臺(tái)機(jī)組于2002 年投入使用。壓縮機(jī)原維保周期為1 500 h，但按照設(shè)備檢修保養(yǎng)規(guī)程及以往的保修經(jīng)驗(yàn)，單臺(tái)機(jī)組累計(jì)運(yùn)行約500 h 后就需要更換活塞環(huán)。這不僅加大了易損件和人工維保的投入，而且影響科研試驗(yàn)的正常進(jìn)行，因此提升活塞環(huán)使用壽命對(duì)于降低運(yùn)維成本及提高設(shè)備開(kāi)機(jī)率具有重要意義。

2 故障原因分析

2.1 活塞環(huán)密封原理

活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，一、二級(jí)排氣壓力不斷升高，高壓氣體通過(guò)活塞環(huán)開(kāi)口處的間隙，由活塞環(huán)側(cè)面進(jìn)入活塞環(huán)背面，作用在活塞環(huán)的高壓氣體使得活塞環(huán)緊緊貼在氣缸表面[1]。密封原理見(jiàn)圖2。

圖2 活塞環(huán)密封原理

假設(shè)活塞作壓縮行程，氣缸工作容積縮小，則氣體壓力上升，活塞兩側(cè)壓力存在差異。高壓氣體通過(guò)氣環(huán)工作間隙產(chǎn)生節(jié)流，壓力由P1降至P2。由于壓力差的作用，活塞環(huán)被推向低壓方，即P2方，阻止氣體由環(huán)槽端面間隙泄漏。此時(shí)，環(huán)內(nèi)表面上作用的氣體壓力近似等于P1，外環(huán)表面壓力近似等于（P1+P2）/2。若近似認(rèn)為內(nèi)、外環(huán)表面積相同，均為A，則在內(nèi)、外環(huán)表面形成的壓差作用力的計(jì)算公式為

在此壓差的作用下，活塞環(huán)壓在氣缸工作表面，阻止氣體沿氣缸壁泄漏。

2.2 活塞環(huán)過(guò)度磨損的原因

根據(jù)上述原理可知，機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)活塞環(huán)磨損，特別是第一道環(huán)因壓差大，磨損也大。

2.2.1 氣缸內(nèi)壁磨損嚴(yán)重

由于科研試驗(yàn)用氣為間斷性用氣，機(jī)組在啟停過(guò)程中容易對(duì)氣缸等部件造成輕微磨損。若工作介質(zhì)中的灰砂、焦油、水分等進(jìn)入氣缸，不僅會(huì)加劇氣缸、活塞環(huán)的磨損，還可能使活塞與氣缸的間隙變大，出現(xiàn)密封不嚴(yán)等問(wèn)題。針對(duì)此故障，在廠(chǎng)家維修人員指導(dǎo)下對(duì)1#設(shè)備進(jìn)行全面檢查，主要檢查項(xiàng)目及檢查結(jié)果如表1所示。

表1 主要檢查項(xiàng)目及結(jié)果 單位：mm

從表1 的檢查數(shù)據(jù)可知，1#活塞式壓縮機(jī)組一級(jí)氣缸及二級(jí)氣缸磨損嚴(yán)重，氣缸圓度誤差已超出正常范圍，一級(jí)、二級(jí)活塞桿磨損量也超出允許范圍。

2.2.2 活塞環(huán)設(shè)計(jì)不合理

第一，活塞環(huán)徑向厚度過(guò)小。正常磨損的活塞環(huán)沿圓周方向各處磨損較為均勻，但開(kāi)口間隙會(huì)變大，雖然設(shè)備可以正常運(yùn)行，但內(nèi)泄漏會(huì)增大。當(dāng)徑向磨損量超過(guò)原始厚度的1/3 時(shí)，需更換活塞環(huán)。一般活塞環(huán)徑向厚度其中D為氣缸內(nèi)徑。一、二級(jí)活塞環(huán)厚度分別為30 mm、23 mm，取值已留有富余，滿(mǎn)足使用要求。

第二，活塞環(huán)材質(zhì)選用不當(dāng)。無(wú)油潤(rùn)滑活塞機(jī)上的活塞環(huán)材質(zhì)一般為填充聚四氟乙烯。該材質(zhì)是由以聚四氟乙烯為基體材料并添加碳纖維、玻璃纖維、石墨、三氧化二鋁、青銅、二硫化鉬等組成的混合物，其中材質(zhì)組成和配比是影響活塞環(huán)使用壽命及性能的關(guān)鍵因素。

2.2.3 氣缸溫度過(guò)高

非金屬材質(zhì)的活塞環(huán)雖然具備出色的耐磨性、抗腐蝕性等特點(diǎn)，但是不像金屬材料具備優(yōu)異的導(dǎo)熱性，其散熱慢，無(wú)法及時(shí)將活塞與氣缸摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量傳遞出去。特別是在炎熱的夏季，機(jī)組排氣溫度會(huì)升高，部分機(jī)組一級(jí)、二級(jí)排氣溫度超過(guò)160 ℃[2]，而聚四氟乙烯的耐磨性隨著溫度的升高逐漸降低。根據(jù)廠(chǎng)家數(shù)據(jù)，活塞環(huán)最佳使用溫度為110 ℃，當(dāng)使用溫度超過(guò)160 ℃，其耐磨性能將明顯降低。

除活塞環(huán)散熱慢外，其他情況也會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)工作溫度過(guò)高。第一，冷卻水壓偏低或進(jìn)水溫度偏高。在氣缸缸體內(nèi)壁和缸體外壁之間鑄造有冷卻水套，用于降低氣缸溫度。按照開(kāi)機(jī)要求，在各進(jìn)回水閥門(mén)處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，機(jī)組進(jìn)水壓強(qiáng)不得低于0.25 MPa，進(jìn)水溫度不得高于32 ℃。冷卻循環(huán)水量不足或進(jìn)水溫度過(guò)高均會(huì)影響氣缸正常散熱，同時(shí)一級(jí)排氣冷卻器換熱效果不足會(huì)導(dǎo)致二級(jí)進(jìn)氣溫度升高，進(jìn)一步加劇二級(jí)氣缸工作溫度偏高問(wèn)題[3]。第二，氣缸水套表面或級(jí)間冷卻器內(nèi)積垢、堵塞，影響換熱效果。第三，吸氣、排氣閥泄漏，部分高溫氣體通過(guò)故障氣閥回流至氣缸內(nèi)被再次壓縮。這不僅降低了機(jī)組排氣量，而且導(dǎo)致氣缸溫度升高。第四，活塞環(huán)的開(kāi)口間隙過(guò)小，活塞環(huán)受熱膨脹卡住，加速磨損。

3 處理措施

3.1 返廠(chǎng)維修

針對(duì)1#設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)，確定如下維修方案。第一，二級(jí)氣缸磨損較為嚴(yán)重，對(duì)氣缸內(nèi)壁進(jìn)行珩磨+精加工，以恢復(fù)氣缸的粗糙度與圓度，使氣缸內(nèi)壁表面粗糙度達(dá)到0.8 μm。第二，二級(jí)活塞桿已無(wú)修復(fù)價(jià)值，對(duì)其進(jìn)行更換。第三，主軸承1、主軸承2、主軸承3 的間隙偏小，是磨損量過(guò)大導(dǎo)致的，需要對(duì)它們進(jìn)行更換。該活塞式壓縮機(jī)經(jīng)返廠(chǎng)維修改造后，對(duì)表1 中的檢查項(xiàng)目進(jìn)行復(fù)查，結(jié)果如表2 所示。

表2 維修后的檢查結(jié)果 單位：mm

3.2 重新定制活塞環(huán)及活塞

委托設(shè)備制造廠(chǎng)家根據(jù)修復(fù)后的氣缸及活塞尺寸，重新設(shè)計(jì)、制作活塞環(huán)，校核相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，在確保各尺寸滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及可靠性要求的前提下，將活塞材質(zhì)改為Zl104 鋁合金，并將一級(jí)、二級(jí)活塞組件的質(zhì)量減少至357.0 kg、352.5 kg。減輕活塞組件質(zhì)量，還可有效減少支撐環(huán)所受的負(fù)荷。根據(jù)《石油化工和天然氣工業(yè)用往復(fù)式壓縮機(jī)》（API-618—2007）的相關(guān)要求，無(wú)油潤(rùn)滑臥式氣缸、非金屬支撐環(huán)所受的負(fù)荷不應(yīng)超過(guò)0.035 N·mm-2。經(jīng)查閱DW-107/7-X 型壓縮機(jī)使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)，一級(jí)、二級(jí)支撐環(huán)承受的負(fù)荷分別由0.095 N·mm-2、0.15 N·mm-2降低至0.035 N·mm-2。支撐環(huán)上承受的負(fù)荷計(jì)算公式為

式中：Lb為支撐環(huán)上承受的負(fù)荷，N·mm-2；MPA為活塞組件的重力，N；MR為活塞桿的重力，N；W為支撐環(huán)總寬度，mm。

3.3 更換活塞環(huán)材質(zhì)

委托設(shè)備制造廠(chǎng)家將活塞環(huán)制作材料更換為增強(qiáng)聚四氟乙烯，并優(yōu)化成分配比，以提高使用壽命和性能，將使用時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)至1 500 h。

3.4 檢查及清洗

首先，徹底清洗氣缸、活塞表面，確保無(wú)異物殘留，同時(shí)更換油浴式進(jìn)氣消聲過(guò)濾器內(nèi)的100 號(hào)L-DAB空氣壓縮機(jī)油。

其次，徹底檢查冷卻器管束、氣缸水套內(nèi)是否存在積垢等問(wèn)題。經(jīng)檢查，管束、水套內(nèi)泥垢較多，使用管刷或硬毛刷與高壓水槍組合的方式，有效清除換熱器芯體、水套表面泥垢，使現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)水壓強(qiáng)達(dá)到0.28 MPa，進(jìn)水溫度穩(wěn)定在30 ℃左右，以滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行要求。

再次，利用紅外測(cè)溫槍測(cè)量一、二級(jí)進(jìn)、排氣氣閥表面溫度。若進(jìn)、排氣氣閥表面溫度均無(wú)較大偏差，可以判量氣閥工作正常。若檢查其存在問(wèn)題，可以對(duì)存在問(wèn)題的氣閥進(jìn)行拆解、維修或更換閥片[4]。

最后，核對(duì)活塞環(huán)的開(kāi)口間隙，開(kāi)口量應(yīng)滿(mǎn)足0.005 倍氣缸直徑的要求。

4 改造成效

改造后的壓縮機(jī)組安裝完畢，進(jìn)行空載及負(fù)載調(diào)試。負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中無(wú)異常現(xiàn)象[5]。同時(shí)，對(duì)壓縮機(jī)改造前后在額定工況下的流量、電流、振動(dòng)、排氣溫度、軸承溫度等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 改造前后設(shè)備運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

由表3 的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，改造后該活塞壓縮機(jī)在額定工況下的流量略有提高。雖然電流值略有增加，但是仍處于良好范圍，調(diào)試運(yùn)行結(jié)果符合DW-107/7-X 型壓縮機(jī)使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)的技術(shù)要求，改善效果較為明顯。經(jīng)實(shí)測(cè)，1#機(jī)組活塞環(huán)累計(jì)使用1 870 h，維保周期大大延長(zhǎng)，維保次數(shù)顯著降低。

5 結(jié)語(yǔ)

活塞環(huán)是實(shí)現(xiàn)活塞與氣缸間無(wú)油潤(rùn)滑的關(guān)鍵部件，也是易損件。通過(guò)選用更優(yōu)異的自潤(rùn)滑材質(zhì)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸、降低活塞環(huán)工作溫度等措施，能夠有效減少活塞環(huán)磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。對(duì)比改造前后機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，驗(yàn)證了維修改造的有效性。目前，剩余3 臺(tái)設(shè)備均已完成升級(jí)改造工作，取得了較好成效，以上設(shè)備改造經(jīng)驗(yàn)可為此類(lèi)改造提供參考。