迷宮活塞壓縮機級間壓力異常升高原因分析及改進措施
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級間壓力異常升高、末級排氣流量降低的故障實例，詳細分析了該類壓縮機出現這種故障的各種原因可能性，并重點分析了導致迷宮活塞與氣缸磨損的根源所在，指出了活塞桿導向軸承處的潤滑不足問題，臨末結合設備實際運行情況，給出了合理有效地改進措施，為該類壓縮機的設計、選型和日常維護提供了參考經驗。
關鍵詞：迷宮活塞；壓縮機；導向軸承；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。其關鍵設備C-201乙烯壓縮機，結構為迷宮活塞式往復壓縮機，具有無油潤滑、磨損量小、不污染介質等優點。隨著生產的進行，該壓縮機出現了級間壓力異常升高問題，導致一級排氣安全閥頻繁起跳，末級排氣流量減少，嚴重影響了裝置的正常生產。
2 C-201乙烯壓縮機簡介
己烯-1裝置C-201乙烯壓縮機為國內某廠生產，型號為2D-140MG-1.24/12-55，兩列兩級迷宮活塞式往復壓縮機，立式安裝，氣缸為無油潤滑，水冷，雙作用。工藝介質為乙烯，由1.20MPa（G）壓縮至5.50MPa（G），排氣量（吸入狀態）為1.24m3/min，單層平面布置，其基本結構如圖1所示。
該壓縮機具有2個氣缸，均為雙作用，進、排氣口為側進側出，在氣缸內壁上開有迷宮槽。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，保證了工藝介質的潔凈。
活塞與氣缸的密封依靠迷宮槽對氣體的節流來達到密封作用。活塞桿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，材質為石墨。
該壓縮機在活塞桿中間位置設置有導向軸承，對活塞與活塞桿的運動進行預導向，防止活塞與活塞桿發生徑向偏移。導向軸承與活塞桿的潤滑采用飛濺潤滑方式，由活塞桿運動時帶上去的潤滑油潤滑。在導向軸承的上端設置有刮油環，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底部油箱。
3 級間壓力異常升高問題說明
該壓縮機一級排氣壓力正常為2.64MPa，安全閥起跳壓力為2.85MPa。發生故障時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。該壓縮機原設計排氣量在1280kg/h，發生故障時，實際流量只能達到890kg/h，已經不能滿足正常生產需要。工廠起初懷疑是氣閥泄漏，但是更換氣閥后沒有好轉。為了維持生產，工廠臨時采取了提高一級進氣壓力的措施，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計壓力3.0MPa，被迫停工對該壓縮機進行檢修。
4 級間壓力異常升高原因分析
對于迷宮活塞式往復壓縮機來說，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：
4.1氣閥泄漏
多級往復壓縮機一級排氣壓力異常升高常見的原因就是氣閥泄漏。（1）需要檢查二級進氣閥。如果二級進氣閥泄漏，二級壓縮后的高壓氣體返回一級，導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，就會影響二級進氣的吸氣量，導致一級排氣憋壓，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，由于高壓氣體回串，也會導致氣體溫度升高，隨之氣閥的閥蓋溫度會升高。但發生故障時，現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℃，檢查各級的進排氣溫度，也沒有發現較平時有異常升高，所以此次故障原因可排除氣閥泄漏。實際檢修情況也表明，這次故障跟氣閥泄漏沒有關系。
4.2填料密封磨損
該壓縮機的活塞桿密封填料由兩種密封環組成，分為接觸式和非接觸式，填料環的內壁開有迷宮槽，通過對氣體的節流來達到密封作用。該壓縮機填料密封共有9道密封環，從氣缸開始第4道密封環后有一條漏氣回收管道去該級進氣緩沖罐，第8道密封環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氣一起排至室外大氣。經運行期間的觀察和監測，2個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，平時該管道表面溫度基本在48~56℃之間，在故障發生期間，一級排氣安全閥起跳的時候，現場測該管道表面溫度達到了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氣混合后排至室外大氣，我們在該排放口處用可燃氣體報警儀測得可燃氣濃度為50%LEL，而以往平時監測該處可燃氣濃度一直在30%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生磨損，導致二級氣缸排氣量損失，泄漏的高壓氣體一部分經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
該壓縮機的活塞為迷宮式，活塞外壁開有迷宮槽，同時氣缸內壁也開有迷宮槽。迷宮式活塞由于活塞與氣缸內壁存在間隙，依靠表面梳齒的層層節流來實現密封。該類壓縮機對于活塞和氣缸的間隙以及活塞的裝配精度，尤其是活塞的運行軌跡要求非常嚴格，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生摩擦，進而破壞活塞表面梳齒，引起迷宮密封失效，氣缸內高壓氣體回串，導致級間壓力升高，排氣流量減少。為了確保活塞運行軌跡始終保持直線而不發生偏差，該壓縮機在活塞桿中間部位設置
有導向軸承，以防止活塞偏移和氣缸摩擦。導向軸承和活塞桿的直徑間隙只有0.06mm，配合要求十分嚴格。迷宮活塞壓縮機相對于普通活塞壓縮機先進之處就在于其活塞為迷宮結構，設計基礎就是活塞與氣缸無摩擦，對于活塞的運動軌跡及運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生磨損，但實際情況是，此次故障的原因恰恰就出現在這里。
5 檢修處理經過
出現問題后，工廠共進行了兩次檢修。第一次進行了小修，更換了全部氣閥，但是故障仍舊存在。第二次進行了中修，拆卸了活塞、填料密封、刮油環、導向軸承等組件，詳細檢查了各部件的磨損情況和配合間隙。檢查發現活塞、氣缸、填料密封、導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重，密封內有黑色粉末狀磨損產物，對應活塞桿處有黑色磨痕。可判斷：二級填料密封磨損，導致氣缸泄漏量增大，造成排氣量降低。泄漏的高壓氣體經漏氣回收管道返回二級進氣入口，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：二級活塞外壁嚴重偏磨，磨損側表面梳齒幾近磨平。二級氣缸內壁對應部位嚴重偏磨，磨損痕跡特別明顯。經測量，2個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重。可判斷：活塞與氣缸磨損，則吸、排氣兩側氣體互串，降低了氣缸內壓縮效率，導致級間壓力升高，排氣量降低。
5.3導向軸承磨損情況
如圖6所示：二級導向軸承有磨損，內壁有燒研情況，對應二級活塞桿處有巴氏合金殘留。經測量，二級導向軸承內徑尺寸超差嚴重。據此可判斷：由于導向軸承的作用是為活塞的運動進行導向，如果導向軸承磨損，那么活塞運動將有所偏移，從而導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向軸承磨損，進而造成活塞、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，對導向軸承磨損的原因進行進一步分析。
5.4導向軸承磨損原因分析
裝配原因。導向軸承與活塞桿的廠家給定標準間隙值為0.04~0.08mm，間隙值比較小。活塞桿與十字頭的連接方式為螺紋連接，安裝時調整難度較高，稍有偏差就會造成活塞桿與導向軸承一側接觸，進而造成導向軸承磨損、燒研。僅對本次故障來說，由于壓縮機的安裝是在機器廠家技術人員指導下完成的，所以可排除裝配方面的原因。
潤滑原因。導向軸承與活塞桿之間的潤滑由于采用飛濺潤滑，沒有穩定的外供潤滑油系統，僅是依靠十字頭做往復運動時甩出的潤滑油進行潤滑。在壓縮機運行初期，潤滑油溫度較低，粘度相對較大，十字頭甩出的油量較少，導向軸承與活塞桿之間難以形成穩定的油膜，潤滑條件不夠充足，極易造成活塞桿與導向軸承之間產生干摩擦，這種情況在冬季尤為突出。并且，在壓縮機剛停機時，活塞桿的往復運動逐漸停止，這期間十字頭甩出的油量也隨之減少，進而會造成導向軸承與活塞桿產生摩擦。待壓縮機完全停止后，導向軸承與活塞桿處沒有持續潤滑油進行冷卻降溫，也會影響和降低導向軸承的使用壽命。
6 故障應對措施
綜上所述，造成壓縮機級間壓力異常升高、末級排氣量減少的根本原因就是導向軸承處潤滑不足，進而造成導向軸承磨損、活塞桿運動偏擺、填料密封磨損、活塞與氣缸磨損等一系列問題。所以，針對故障問題和設備實際運行情況，我們和機器廠家溝通后，對壓縮機進行了優化改造。即：在機身內部增設兩級導向軸承與活塞桿的預潤滑線，提高導?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，在壓縮機機身兩側鉆孔，進入兩級導向軸承下側，分別圍繞相應活塞桿彎曲成環，鉆出4個小孔，噴油至活塞桿表面（導向軸承下部約2cm處）。該潤滑油線上安裝有切斷閥，可以進行關閉和開啟。在壓縮機正式開機前，先啟動輔助潤滑油泵進行油運，打開該潤滑油線對兩級導向軸承進行預潤滑，同時人工盤車10圈，使導向軸承與活塞桿接觸部位得到充分潤?，預潤滑時間不少于5min。壓縮機需要停機時，則按照原停機程序，待機器完全停止10min后，再關閉輔助潤滑油泵。
經過改造，壓縮機的導向軸承與活塞桿接觸部位始終有潤滑油潤滑，促進了該潤滑部位的液膜形成，極大提升了潤滑效果，同時也增強了導向軸承與活塞桿之間的密封，避免了壓縮機上層隔室內的乙烯向下泄漏至底部的潤滑油箱。
7 結論
按照國家標準《JB/T11178-2011迷宮活塞壓縮機》所述，迷宮壓縮機的活塞桿導向軸承可采用飛濺潤滑。作者為此進行了文獻檢索，并沒有查到其它為導向軸承額外設置潤滑油的情況。但是，己烯-1裝置生產情況較為特殊，其生產性質屬于工業化試驗，每次開工少則幾天，多則月余，工藝生產并不穩定，經常需要反復停開工。由此壓縮機開停機特別頻繁，也就使得導向軸承與活塞桿的潤滑不足問題得到放大。長此以往，勢必會加快降低導向軸承的使用壽命。所以，對于需要頻繁啟停的壓縮機，很有必要對導向軸承設置外供潤滑油來進行強制潤滑。
工廠通過此次改造，有效解決了壓縮機導向軸承與活塞桿潤滑不足問題。通過一年多的運行情況來看，壓縮機級間壓力異常升高、末級排氣量降低問題已經得到解決，導向軸承與活塞桿、填料密封與活塞桿、活塞與氣缸沒再出現偏磨情況，壓縮機能夠平穩運行，各項參數也都在標準范圍內。臨末，希望通過本次壓縮機故障與優化改造實例，為同類企業迷宮活塞式往復壓縮機的設計選型和運行維護提供一定的參考經驗。
參考文獻：
[1]戴曉洲.迷宮式活塞壓縮機迷宮密封及結構分析[J].化工機械，2000，27（2）
來源：《壓縮機技術》
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