迷宮活塞壓縮機(jī)級間壓力異常升高原因分析及改進(jìn)措施

2024-03-19

張書波

(中國石油大慶石化公司化工二廠)

摘 要:通過一起迷宮活塞壓縮機(jī)級間壓力異常升高、末級排氣流量降低的故障實(shí)例,詳細(xì)分析了該類壓縮機(jī)出現(xiàn)這種故障的各種原因可能性,并重點(diǎn)分析了導(dǎo)致迷宮活塞與氣缸磨損的根源所在,指出了活塞桿導(dǎo)向軸承處的潤滑不足問題,臨末結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況,給出了合理有效地改進(jìn)措施,為該類壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、選型和日常維護(hù)提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:迷宮活塞;壓縮機(jī);導(dǎo)向軸承;潤滑

1 引言

中國石油大慶石化公司化工二廠5000t/a己烯-1裝置采用乙烯三聚合成己烯-1技術(shù)。其關(guān)鍵設(shè)備C-201乙烯壓縮機(jī),結(jié)構(gòu)為迷宮活塞式往復(fù)壓縮機(jī),具有無油潤滑、磨損量小、不污染介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行,該壓縮機(jī)出現(xiàn)了級間壓力異常升高問題,導(dǎo)致一級排氣安全閥頻繁起跳,末級排氣流量減少,嚴(yán)重影響了裝置的正常生產(chǎn)。

2 C-201乙烯壓縮機(jī)簡介

己烯-1裝置C-201乙烯壓縮機(jī)為國內(nèi)某廠生產(chǎn),型號為2D-140MG-1.24/12-55,兩列兩級迷宮活塞式往復(fù)壓縮機(jī),立式安裝,氣缸為無油潤滑,水冷,雙作用。工藝介質(zhì)為乙烯,由1.20MPa(G)壓縮至5.50MPa(G),排氣量(吸入狀態(tài))為1.24m3/min,單層平面布置,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該壓縮機(jī)具有2個(gè)氣缸,均為雙作用,進(jìn)、排氣口為側(cè)進(jìn)側(cè)出,在氣缸內(nèi)壁上開有迷宮槽。活塞為迷宮活塞,外壁上開有迷宮槽,活塞與氣缸不存在摩擦,無需潤滑,保證了工藝介質(zhì)的潔凈。

活塞與氣缸的密封依靠迷宮槽對氣體的節(jié)流來達(dá)到密封作用?;钊麠U與氣缸底部的密封采用迷宮式填料密封,用來密封氣缸中的高壓氣體沿活塞桿向下泄漏,材質(zhì)為石墨。

該壓縮機(jī)在活塞桿中間位置設(shè)置有導(dǎo)向軸承,對活塞與活塞桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)導(dǎo)向,防止活塞與活塞桿發(fā)生徑向偏移。導(dǎo)向軸承與活塞桿的潤滑采用飛濺潤滑方式,由活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)帶上去的潤滑油潤滑。在導(dǎo)向軸承的上端設(shè)置有刮油環(huán),用來刮下黏附在活塞桿上的潤滑油,使活塞桿帶上去的潤滑油可以返回壓縮機(jī)底部油箱。

3 級間壓力異常升高問題說明

該壓縮機(jī)一級排氣壓力正常為2.64MPa,安全閥起跳壓力為2.85MPa。發(fā)生故障時(shí)一級排氣壓力異常漲到2.82~2.90MPa之間,一級排氣安全閥頻繁起跳,末級排氣量減少。該壓縮機(jī)原設(shè)計(jì)排氣量在1280kg/h,發(fā)生故障時(shí),實(shí)際流量只能達(dá)到890kg/h,已經(jīng)不能滿足正常生產(chǎn)需要。工廠起初懷疑是氣閥泄漏,但是更換氣閥后沒有好轉(zhuǎn)。為了維持生產(chǎn),工廠臨時(shí)采取了提高一級進(jìn)氣壓力的措施,這樣對排氣量有所提升,但是加劇了級間壓力的升高,安全閥一直起跳,并且逼近了一級排氣緩沖罐的設(shè)計(jì)壓力3.0MPa,被迫停工對該壓縮機(jī)進(jìn)行檢修。

4 級間壓力異常升高原因分析

對于迷宮活塞式往復(fù)壓縮機(jī)來說,級間壓力異常升高,末級排氣量減少的原因主要有以下幾點(diǎn):

4.1氣閥泄漏

多級往復(fù)壓縮機(jī)一級排氣壓力異常升高常見的原因就是氣閥泄漏。(1)需要檢查二級進(jìn)氣閥。如果二級進(jìn)氣閥泄漏,二級壓縮后的高壓氣體返回一級,導(dǎo)致一級排氣壓力升高。(2)需要檢查一級排氣閥。如果一級排氣閥泄漏,一級壓縮后的高壓氣體排不出去,從而導(dǎo)致一級排氣壓力升高。(3)需要檢查二級排氣閥。如果二級排氣閥泄漏,二級高壓氣體排不出去,就會影響二級進(jìn)氣的吸氣量,導(dǎo)致一級排氣憋壓,從而引起一級排氣壓力升高。以上3種氣閥泄漏情況,都會引起一級排氣壓力升高、末級排氣流量減少,但與此同時(shí),由于高壓氣體回串,也會導(dǎo)致氣體溫度升高,隨之氣閥的閥蓋溫度會升高。但發(fā)生故障時(shí),現(xiàn)場用紅外測溫儀測量氣閥的閥蓋溫度,閥蓋的溫度相對低于該處氣體溫度10~15℃,檢查各級的進(jìn)排氣溫度,也沒有發(fā)現(xiàn)較平時(shí)有異常升高,所以此次故障原因可排除氣閥泄漏。實(shí)際檢修情況也表明,這次故障跟氣閥泄漏沒有關(guān)系。

4.2填料密封磨損

該壓縮機(jī)的活塞桿密封填料由兩種密封環(huán)組成,分為接觸式和非接觸式,填料環(huán)的內(nèi)壁開有迷宮槽,通過對氣體的節(jié)流來達(dá)到密封作用。該壓縮機(jī)填料密封共有9道密封環(huán),從氣缸開始第4道密封環(huán)后有一條漏氣回收管道去該級進(jìn)氣緩沖罐,第8道密封環(huán)后有一條漏氣回收管道去火炬放空,臨末再有泄漏的乙烯則隨通入隔室的氮?dú)庖黄鹋胖潦彝獯髿?。?jīng)運(yùn)行期間的觀察和監(jiān)測,2個(gè)氣缸的一次漏氣回收管道外壁溫度無明顯變化,一級填料的二次漏氣回收管道外壁溫度一直在40℃左右,也沒有明顯升高,而二級填料密封的漏氣回收管道,平時(shí)該管道表面溫度基本在48~56℃之間,在故障發(fā)生期間,一級排氣安全閥起跳的時(shí)候,現(xiàn)場測該管道表面溫度達(dá)到了70℃,說明該處漏氣量明顯增大。另外,末次泄漏的少量乙烯與隔離氮?dú)饣旌虾笈胖潦彝獯髿?,我們在該排放口處用可燃?xì)怏w報(bào)警儀測得可燃?xì)鉂舛葹?0%LEL,而以往平時(shí)監(jiān)測該處可燃?xì)鉂舛纫恢痹?0%LEL左右,這也說明了乙烯的漏量有所增加。所以,可判斷二級填料密封發(fā)生磨損,導(dǎo)致二級氣缸排氣量損失,泄漏的高壓氣體一部分經(jīng)漏氣回收管道返回二級入口,又造成了一級排氣壓力升高。

4.3氣缸和活塞磨損

該壓縮機(jī)的活塞為迷宮式,活塞外壁開有迷宮槽,同時(shí)氣缸內(nèi)壁也開有迷宮槽。迷宮式活塞由于活塞與氣缸內(nèi)壁存在間隙,依靠表面梳齒的層層節(jié)流來實(shí)現(xiàn)密封。該類壓縮機(jī)對于活塞和氣缸的間隙以及活塞的裝配精度,尤其是活塞的運(yùn)行軌跡要求非常嚴(yán)格,其中活塞與氣缸的直徑間隙只有0.20mm,如果活塞與氣缸接觸就會產(chǎn)生摩擦,進(jìn)而破壞活塞表面梳齒,引起迷宮密封失效,氣缸內(nèi)高壓氣體回串,導(dǎo)致級間壓力升高,排氣流量減少。為了確?;钊\(yùn)行軌跡始終保持直線而不發(fā)生偏差,該壓縮機(jī)在活塞桿中間部位設(shè)置

有導(dǎo)向軸承,以防止活塞偏移和氣缸摩擦。導(dǎo)向軸承和活塞桿的直徑間隙只有0.06mm,配合要求十分嚴(yán)格。迷宮活塞壓縮機(jī)相對于普通活塞壓縮機(jī)先進(jìn)之處就在于其活塞為迷宮結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)基礎(chǔ)就是活塞與氣缸無摩擦,對于活塞的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)行配合的制造和安裝要求也是非常苛刻。所以,活塞和氣缸一般不會發(fā)生磨損,但實(shí)際情況是,此次故障的原因恰恰就出現(xiàn)在這里。

5 檢修處理經(jīng)過

出現(xiàn)問題后,工廠共進(jìn)行了兩次檢修。第一次進(jìn)行了小修,更換了全部氣閥,但是故障仍舊存在。第二次進(jìn)行了中修,拆卸了活塞、填料密封、刮油環(huán)、導(dǎo)向軸承等組件,詳細(xì)檢查了各部件的磨損情況和配合間隙。檢查發(fā)現(xiàn)活塞、氣缸、填料密封、導(dǎo)向軸承均有不同程度的磨損情況。

5.1填料密封磨損情況

如圖2、圖3所示:二級填料密封磨損嚴(yán)重,密封內(nèi)有黑色粉末狀磨損產(chǎn)物,對應(yīng)活塞桿處有黑色磨痕??膳袛啵憾壧盍厦芊饽p,導(dǎo)致氣缸泄漏量增大,造成排氣量降低。泄漏的高壓氣體經(jīng)漏氣回收管道返回二級進(jìn)氣入口,影響到了一級排氣量,從而造成一級排氣憋壓,級間壓力升高。

5.2活塞與氣缸磨損情況

如圖4、圖5所示:二級活塞外壁嚴(yán)重偏磨,磨損側(cè)表面梳齒幾近磨平。二級氣缸內(nèi)壁對應(yīng)部位嚴(yán)重偏磨,磨損痕跡特別明顯。經(jīng)測量,2個(gè)活塞與氣缸周邊間隙不均勻,其中二級活塞與氣缸間隙超差嚴(yán)重??膳袛啵夯钊c氣缸磨損,則吸、排氣兩側(cè)氣體互串,降低了氣缸內(nèi)壓縮效率,導(dǎo)致級間壓力升高,排氣量降低。

5.3導(dǎo)向軸承磨損情況

如圖6所示:二級導(dǎo)向軸承有磨損,內(nèi)壁有燒研情況,對應(yīng)二級活塞桿處有巴氏合金殘留。經(jīng)測量,二級導(dǎo)向軸承內(nèi)徑尺寸超差嚴(yán)重。據(jù)此可判斷:由于導(dǎo)向軸承的作用是為活塞的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向,如果導(dǎo)向軸承磨損,那么活塞運(yùn)動(dòng)將有所偏移,從而導(dǎo)致填料密封和活塞磨損。綜上所述,此次故障的原因主要是導(dǎo)向軸承磨損,進(jìn)而造成活塞、氣缸、填料密封磨損,從而引起級間壓力升高、二級排氣量降低。下面,對導(dǎo)向軸承磨損的原因進(jìn)行進(jìn)一步分析。

5.4導(dǎo)向軸承磨損原因分析

裝配原因。導(dǎo)向軸承與活塞桿的廠家給定標(biāo)準(zhǔn)間隙值為0.04~0.08mm,間隙值比較小?;钊麠U與十字頭的連接方式為螺紋連接,安裝時(shí)調(diào)整難度較高,稍有偏差就會造成活塞桿與導(dǎo)向軸承一側(cè)接觸,進(jìn)而造成導(dǎo)向軸承磨損、燒研。僅對本次故障來說,由于壓縮機(jī)的安裝是在機(jī)器廠家技術(shù)人員指導(dǎo)下完成的,所以可排除裝配方面的原因。

潤滑原因。導(dǎo)向軸承與活塞桿之間的潤滑由于采用飛濺潤滑,沒有穩(wěn)定的外供潤滑油系統(tǒng),僅是依靠十字頭做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)甩出的潤滑油進(jìn)行潤滑。在壓縮機(jī)運(yùn)行初期,潤滑油溫度較低,粘度相對較大,十字頭甩出的油量較少,導(dǎo)向軸承與活塞桿之間難以形成穩(wěn)定的油膜,潤滑條件不夠充足,極易造成活塞桿與導(dǎo)向軸承之間產(chǎn)生干摩擦,這種情況在冬季尤為突出。并且,在壓縮機(jī)剛停機(jī)時(shí),活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)逐漸停止,這期間十字頭甩出的油量也隨之減少,進(jìn)而會造成導(dǎo)向軸承與活塞桿產(chǎn)生摩擦。待壓縮機(jī)完全停止后,導(dǎo)向軸承與活塞桿處沒有持續(xù)潤滑油進(jìn)行冷卻降溫,也會影響和降低導(dǎo)向軸承的使用壽命。

6 故障應(yīng)對措施

綜上所述,造成壓縮機(jī)級間壓力異常升高、末級排氣量減少的根本原因就是導(dǎo)向軸承處潤滑不足,進(jìn)而造成導(dǎo)向軸承磨損、活塞桿運(yùn)動(dòng)偏擺、填料密封磨損、活塞與氣缸磨損等一系列問題。所以,針對故障問題和設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況,我們和機(jī)器廠家溝通后,對壓縮機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化改造。即:在機(jī)身內(nèi)部增設(shè)兩級導(dǎo)向軸承與活塞桿的預(yù)潤滑線,提高導(dǎo)?軸承與活塞桿的潤滑效果,避免因潤滑中斷或潤滑不足而造成干摩擦。具體措施為:從現(xiàn)有潤滑油總供油線上引出一根覫8白鋼管,分成兩路,在壓縮機(jī)機(jī)身兩側(cè)鉆孔,進(jìn)入兩級導(dǎo)向軸承下側(cè),分別圍繞相應(yīng)活塞桿彎曲成環(huán),鉆出4個(gè)小孔,噴油至活塞桿表面(導(dǎo)向軸承下部約2cm處)。該潤滑油線上安裝有切斷閥,可以進(jìn)行關(guān)閉和開啟。在壓縮機(jī)正式開機(jī)前,先啟動(dòng)輔助潤滑油泵進(jìn)行油運(yùn),打開該潤滑油線對兩級導(dǎo)向軸承進(jìn)行預(yù)潤滑,同時(shí)人工盤車10圈,使導(dǎo)向軸承與活塞桿接觸部位得到充分潤?,預(yù)潤滑時(shí)間不少于5min。壓縮機(jī)需要停機(jī)時(shí),則按照原停機(jī)程序,待機(jī)器完全停止10min后,再關(guān)閉輔助潤滑油泵。

經(jīng)過改造,壓縮機(jī)的導(dǎo)向軸承與活塞桿接觸部位始終有潤滑油潤滑,促進(jìn)了該潤滑部位的液膜形成,極大提升了潤滑效果,同時(shí)也增強(qiáng)了導(dǎo)向軸承與活塞桿之間的密封,避免了壓縮機(jī)上層隔室內(nèi)的乙烯向下泄漏至底部的潤滑油箱。

7 結(jié)論

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《JB/T11178-2011迷宮活塞壓縮機(jī)》所述,迷宮壓縮機(jī)的活塞桿導(dǎo)向軸承可采用飛濺潤滑。作者為此進(jìn)行了文獻(xiàn)檢索,并沒有查到其它為導(dǎo)向軸承額外設(shè)置潤滑油的情況。但是,己烯-1裝置生產(chǎn)情況較為特殊,其生產(chǎn)性質(zhì)屬于工業(yè)化試驗(yàn),每次開工少則幾天,多則月余,工藝生產(chǎn)并不穩(wěn)定,經(jīng)常需要反復(fù)停開工。由此壓縮機(jī)開停機(jī)特別頻繁,也就使得導(dǎo)向軸承與活塞桿的潤滑不足問題得到放大。長此以往,勢必會加快降低導(dǎo)向軸承的使用壽命。所以,對于需要頻繁啟停的壓縮機(jī),很有必要對導(dǎo)向軸承設(shè)置外供潤滑油來進(jìn)行強(qiáng)制潤滑。

工廠通過此次改造,有效解決了壓縮機(jī)導(dǎo)向軸承與活塞桿潤滑不足問題。通過一年多的運(yùn)行情況來看,壓縮機(jī)級間壓力異常升高、末級排氣量降低問題已經(jīng)得到解決,導(dǎo)向軸承與活塞桿、填料密封與活塞桿、活塞與氣缸沒再出現(xiàn)偏磨情況,壓縮機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行,各項(xiàng)參數(shù)也都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。臨末,希望通過本次壓縮機(jī)故障與優(yōu)化改造實(shí)例,為同類企業(yè)迷宮活塞式往復(fù)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行維護(hù)提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn):

[1]戴曉洲.迷宮式活塞壓縮機(jī)迷宮密封及結(jié)構(gòu)分析[J].化工機(jī)械,2000,27(2)

來源:《壓縮機(jī)技術(shù)》

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