孫傳工

（大連西太平洋石油化工有限公司，遼寧 大連 116600）

我公司空分裝置現(xiàn)有兩臺ZW－27／2－8.8型氮氣增壓壓縮機，擔負著全廠低壓氮氣的輸送工作，運行狀況關(guān)系著全廠的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。這兩臺壓縮機投用以來，故障率比較高，故障現(xiàn)象主要是活塞環(huán)嚴重磨損和破碎、活塞環(huán)槽嚴重損傷、氣閥損壞、填料發(fā)熱泄漏等，不但維修工作量大，維護費用居高不下，更重要的是對公司的安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成威脅。

壓縮機主要技術(shù)參數(shù)：

型號：ZW－27／2－8.8

型式：立式，兩列，一級，雙作用，水冷，往復(fù)活塞式壓縮機

潤滑方式：無油潤滑

壓縮介質(zhì)：氮氣

排氣量：26.96m3／min（吸氣狀態(tài)）

吸入壓力：0.196MPa（濾清器前）

排氣壓力：0.883MPa

進氣溫度：12℃

排氣溫度：136.5℃

氣缸直徑：370mm

活塞行程：180mm

轉(zhuǎn)速：490r／min

軸功率：260.5kW

1 活塞的工作原理

活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運動，通過與進排氣閥的配合，完成對氣體的膨脹、吸氣、壓縮、排氣的過程?；钊闷鋱A柱外側(cè)槽內(nèi)安裝的活塞環(huán)密封氣缸兩側(cè)的氣體壓差。活塞環(huán)嵌于活塞的環(huán)槽內(nèi)，工作時外緣緊貼氣缸內(nèi)壁，背向高壓氣體一側(cè)的端面緊壓在環(huán)槽上，實現(xiàn)密封。

活塞環(huán)須具有初始彈力，才能使活塞環(huán)外緣緊貼氣缸內(nèi)壁，形成密封，所以活塞環(huán)內(nèi)側(cè)一般要設(shè)置一個彈力環(huán)。為了獲得足夠的彈力，活塞環(huán)需設(shè)有開口，而氣體能夠通過切口泄漏，所以一般需要多道活塞環(huán)同時工作。氣體通過每道環(huán)都要產(chǎn)生一次節(jié)流作用，從而達到減少泄漏的目的，活塞環(huán)的密封是阻塞密封和節(jié)流密封的組合。

無油潤滑壓縮機為了避免活塞體與氣缸壁直接接觸，還要在活塞上安裝具有自潤滑性質(zhì)材料的導(dǎo)向環(huán)。

2 活塞部件故障分析

通過對壓縮機的多次檢修工作總結(jié)出：此型壓縮機的主要故障根源是活塞部件的使用壽命太短。

活塞體材質(zhì)為鑄鋁；活塞導(dǎo)向環(huán)為不開口、無導(dǎo)流槽的形式，材質(zhì)為PTFE；活塞環(huán)采用內(nèi)側(cè)帶突臺的兩片軸向組合式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為PTFE，兩片組合環(huán)之間有定位銷防止周向錯位；塞環(huán)內(nèi)側(cè)采用金屬（3Cr13）彈力環(huán)提供初始彈力；氣缸與活塞為無油潤滑。

活塞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 活塞結(jié)構(gòu)示意圖（改進前）

活塞部件的故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：

1）運行使用周期短，一般運行三個月左右，活塞環(huán)即產(chǎn)生明顯磨損，壓縮機排氣溫度逐漸升高至150～160℃，超過報警值，同時排氣量降低；

2）活塞環(huán)外緣磨損嚴重且不均勻，活塞環(huán)斷裂情況比較普遍，氣缸和排氣管線內(nèi)有大量活塞環(huán)磨損產(chǎn)生的黑色粉末；

3）活塞環(huán)內(nèi)側(cè)夾持彈力環(huán)的凸緣部分在使用中容易破損，產(chǎn)生的碎片會造成氣閥失效。

4）兩片組合活塞環(huán)間的定位銷易脫落，卡住氣閥閥片；

5）活塞上的活塞環(huán)槽兩側(cè)壁由于金屬彈力環(huán)的反復(fù)撞擊，易發(fā)生剝落損傷使環(huán)槽尺寸不規(guī)則變寬，脫落的鋁屑會加速活塞環(huán)磨損，并使進排氣閥失效。

根據(jù)活塞部件的故障現(xiàn)象和發(fā)生規(guī)律，分析故障產(chǎn)生的原因主要是：

1）金屬彈力環(huán)彈力過大且不均勻。彈力如果過大，會使活塞環(huán)與氣缸壁接觸部分的比壓過高，使活塞環(huán)與氣缸壁間的磨擦力過大，造成活塞環(huán)磨損過快。

2）金屬彈力環(huán)的重量過大，在活塞往復(fù)運動的慣性力作用下，金屬彈力環(huán)對PTFE活塞環(huán)的內(nèi)側(cè)凸緣反復(fù)撞擊造成活塞環(huán)內(nèi)側(cè)凸緣破損。

3）活塞環(huán)內(nèi)側(cè)凸緣破損后，金屬彈力環(huán)便會直接反復(fù)撞擊到活塞環(huán)槽的兩側(cè)壁，造成鋁制活塞環(huán)槽壁疲勞脫落，使活塞環(huán)槽變寬，活塞環(huán)密封失效，活塞體報廢。

4）活塞槽壁受金屬彈力環(huán)反復(fù)撞擊產(chǎn)生的鋁屑，散布在氣缸內(nèi)會加速活塞環(huán)磨損，并造成氣閥頻繁損壞。

5）采用的PTFE活塞環(huán)材質(zhì)不良，在氮氣環(huán)境中自潤滑性能差，磨損比較快，并且磨損產(chǎn)生的黑色粉末影響壓縮機填料、氣閥的使用壽命，甚至對系統(tǒng)后續(xù)的中壓氮氣壓縮機造成不利影響。

3 活塞部件的改進辦法

根據(jù)上述故障分析，考慮必須從活塞環(huán)和彈力環(huán)入手解決問題。

拆解檢修時發(fā)現(xiàn)氣缸和管路內(nèi)的大量黑色粉末就是活塞環(huán)磨損產(chǎn)生的。黑色粉末的存在，使活塞環(huán)自潤滑性能被破壞，加速活塞環(huán)的磨損。

此型壓縮機采用無油潤滑的氣缸，活塞環(huán)和活塞導(dǎo)向環(huán)的材質(zhì)為填充聚四氟乙烯（PTFE），是一種具有自潤滑性質(zhì)的材料。其自潤滑機理是：依靠填充聚四氟乙烯與對應(yīng)金屬表面初磨合時，在金屬磨擦表面涂粘一層極薄的由聚四氟乙烯分子為主形成的自潤滑薄膜。這種自潤滑膜的一旦建立之后，潤滑狀況就得到改善，填充聚四氟乙烯活塞環(huán)與氣缸壁的磨擦面就處于填充聚四氟乙烯分子間的相對磨擦，磨擦系數(shù)大大降低，僅會出現(xiàn)微量穩(wěn)定的磨損。如果這種薄膜一旦被破壞，就會造成活塞環(huán)與金屬氣缸壁面直接干磨擦，磨擦系數(shù)大，發(fā)熱量高，活塞環(huán)的磨損加快。

根據(jù)填充聚四氟乙烯的自潤滑特性和活塞故障產(chǎn)生原因，主要考慮從以下幾個方面來改善活塞環(huán)的工作狀態(tài)。

1）改善填充聚四氟乙烯活塞環(huán)材料質(zhì)量。

2）保證氣缸壁表面粗糙度，應(yīng)達到Ra0.8。

3）降低彈力環(huán)的彈力。

4）降低彈力環(huán)的重量。

具體改進措施：

1）活塞環(huán)的材料改善可以通過選擇性能比較好、質(zhì)量更穩(wěn)定的賀爾碧格公司產(chǎn)品來替代。

2）氣缸內(nèi)壁進行精加工處理，保證表面粗糙度達到Ra0.8的技術(shù)要求。

3）對于彈力環(huán)，一方面要降低彈力，另一方面要解決金屬彈力環(huán)對鋁制活塞環(huán)槽的損傷嚴重的問題，所以綜合考慮取消金屬彈力環(huán)。

活塞環(huán)必須具有初始彈力，才能使活塞環(huán)外緣緊貼氣缸內(nèi)壁，形成密封。金屬彈力環(huán)取消后，具有切口的整體式活塞環(huán)要具有彈力，在自由狀態(tài)時，其各部分的曲率半徑應(yīng)大于氣缸半徑，彈力的大小與曲率半徑的大小有關(guān)，所以選擇合理的曲率半徑可以使活塞環(huán)具有初始密封能力。

取消金屬彈力環(huán)，采用有切口的整體式活塞環(huán)，這樣不但簡化了活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)而且避免了金屬彈力環(huán)對活塞環(huán)槽壁的損傷。經(jīng)過核算，所選用活塞環(huán)材料的彈力可以滿足活塞環(huán)與氣缸壁初始密封的需要。同時還應(yīng)增加一道活塞環(huán)，以保證更好的密封效果。

4）原導(dǎo)向環(huán)為不開口、無導(dǎo)流槽的形式，更換時需要熱裝，為檢修帶來不便。所以改為有開口、有導(dǎo)流槽式導(dǎo)向環(huán)。

活塞改造后結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 改造效果

圖2 活塞結(jié)構(gòu)示意圖（改進后）

經(jīng)過改造，壓縮機的運行溫度、壓力等各項參數(shù)全部達到額定要求，排氣溫度比改造前正常工作溫度降低5～10℃，氣缸填料溫度降低約10℃。壓縮機活塞環(huán)的使用壽命由三、四個月延長至三年以上，進排氣閥的使用壽命由三、四個月延長至一年以上。兩臺壓縮機全部達到連續(xù)運行3年而活塞部件無損傷。另外，由于改進后活塞環(huán)磨損程度低，氮氣管線內(nèi)的黑色粉末不再產(chǎn)生，其后續(xù)的中壓氮氣壓縮機運行周期也明顯增長。

5 結(jié) 語

此次對兩臺ZW型氮氣壓縮機活塞的成功改造，使壓縮機能夠滿足石油化工生產(chǎn)長周期安穩(wěn)運行的要求，維護費用大幅度降低，成功地經(jīng)驗對同系列壓縮機的改進提供了有益借鑒。

［1］ 郁永章.容積式壓縮機技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000