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        14-3HHE-VL-3型壓縮機(jī)托瓦活塞環(huán)斷裂原因分析

        2021-06-16 06:13:58宋子良鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司浙江寧波315000
        化工管理 2021年12期
        關(guān)鍵詞:活塞環(huán)材質(zhì)軸向

        宋子良(鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司,浙江 寧波 315000)

        0 引言

        該公司C3102AB往復(fù)機(jī)投產(chǎn)于2002年8月,剛開始投用機(jī)組運行正常。自2003年6月開始一、二級缸出現(xiàn)間斷性雜音,分別在2003年6月和2005年10月進(jìn)行了兩次專題檢修,但此問題仍然遺留。在后續(xù)的生產(chǎn)中該問題反復(fù)出現(xiàn),根據(jù)拆解情況,對應(yīng)活塞環(huán)的缺陷比較明顯。2009年和2013年檢修后開機(jī)運行不到一周就出現(xiàn)間歇性雜音,后拆解發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)碎裂。針對該型往復(fù)機(jī)活塞環(huán)短期失效的問題亟需進(jìn)行攻關(guān)解決,文章旨在通過分析和論證,總結(jié)出活塞環(huán)失效的具體原因所在,通過對整個攻關(guān)過程的整理,得出一套可行的方案,真實有效地解決所面臨的問題,維護(hù)好機(jī)組的平穩(wěn)運行。

        1 原因分析

        1.1 托瓦、活塞環(huán)失效情況

        從圖1托瓦失效照片來看,整個失效的狀態(tài)類似高溫熔化狀或者說介質(zhì)與托瓦存在反應(yīng)現(xiàn)象。通過參數(shù)表來分析該機(jī)一、二級缸的排氣溫度最高也不過120 ℃且氣缸內(nèi)采用的是注油潤滑?;钊h(huán)和托瓦的材質(zhì)是相同的。從圖2活塞環(huán)失效照片來看,活塞環(huán)的損壞集中在邊緣地帶,類似撞擊剝落和本身的材料致密性和融合性不佳相結(jié)合產(chǎn)生,也不能排除介質(zhì)與其反應(yīng)的可能。從實物狀態(tài)來看,斷口位置在活塞環(huán)斜口端,從斷面分析來看因為活塞環(huán)開后間隙不足,導(dǎo)致斜口擠壓撕裂。這些斷裂現(xiàn)象分別指向了三個方向:

        (1)由于活塞環(huán)和托瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,導(dǎo)致工作狀態(tài)下,潤滑效果差,摩擦熱量高;

        (2)材質(zhì)和加工工藝存在問題,耐用性差;

        (3)熱膨脹間隙設(shè)計不合理。

        圖1 托瓦失效照片

        圖2 活塞環(huán)失效照片

        1.2 失效原因分析

        原始托瓦、活塞環(huán)的設(shè)計全部是整段式的結(jié)構(gòu),托瓦兩側(cè)設(shè)計有泄壓槽,活塞環(huán)為普通斜口型。具體結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

        圖4 活塞環(huán)結(jié)構(gòu)照片

        這種結(jié)構(gòu)在其他設(shè)備上也有使用,但摩擦過熱產(chǎn)生熔化的還未發(fā)生過。從拆解下來的實物觀察,托瓦兩側(cè)面的平整度尚可,與過熱熔化的現(xiàn)象不完全符合。根據(jù)廠家提供的資料托瓦、活塞環(huán)的材質(zhì)為PTFE(聚四氟乙烯),正常使用溫度可以達(dá)到250 ℃,與120 ℃的排氣溫度相比,實際托瓦和活塞環(huán)在工作狀態(tài)下的溫度不會高于250 ℃。從現(xiàn)場實地查看來看,氣缸內(nèi)存在一定量的潤滑油,不存在缺油的現(xiàn)象。該存量的潤滑油也不足以形成破壞性的液擊,致使托瓦產(chǎn)生這么嚴(yán)重的損壞。

        圖5中左側(cè)的托瓦為后采購的新件,右側(cè)的為使用后狀態(tài)尚可的舊托瓦,從兩者的外觀來分析,新的托瓦在加工精度、材料的致密性方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如舊托瓦,而且進(jìn)一步細(xì)看的話還能發(fā)現(xiàn)舊托瓦內(nèi)有黃色小顆粒物,而新托瓦內(nèi)有明顯的白色四氟顆粒。從實際使用效果來看新托瓦壽命非常短暫。

        圖5 新舊托瓦對比

        廠家提供了一份二級活塞環(huán)設(shè)計參數(shù):二級活塞環(huán)的寬度為13 mm,軸向間隙為0.20~0.25 mm,材料的熱膨脹系數(shù)為6×10-5,假設(shè)環(huán)境溫度為20 ℃,則溫差達(dá)到100 ℃,計算可得工作狀態(tài)下活塞環(huán)的熱膨脹量為0.055 mm,是設(shè)計間隙值的1/4,還有余量。活塞環(huán)間隙大小所產(chǎn)生的問題如圖6所示。

        圖6 活塞環(huán)間隙大小所產(chǎn)生的問題

        二級缸活塞環(huán)的直徑為406.4 mm,活塞環(huán)開口間隙值設(shè)計為10 mm,熱膨脹系數(shù)6×10-5,假設(shè)環(huán)境溫度為20 ℃,則溫差達(dá)到70 ℃,計算可得工作狀態(tài)下活塞環(huán)的熱膨脹量為5.35 mm,按照設(shè)計不存在開口脹死的問題。

        1.3 小結(jié)

        根據(jù)上述分析基本可以判斷,在托瓦和活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上不是問題形成的主要原因,但是如果后期進(jìn)行改型,在結(jié)構(gòu)上還有一定的優(yōu)化空間。針對活塞環(huán)的材質(zhì)以及加工工藝,通過對比,各批次之間還是存在一定的變化。對外觀不佳的托瓦、活塞環(huán)備件在直角邊部位用手指甲蹭壓也能使其脫落。對于膨脹間隙,我們對斷裂的活塞環(huán)進(jìn)行了采樣試驗,實測得到的膨脹系數(shù)大于9×10-5,根據(jù)這個計算膨脹量,算得活塞環(huán)斜口位置的膨脹量為10.2 mm,軸向膨脹量為0.104 mm。實際在活塞體經(jīng)過一定時間的運行之后,活塞環(huán)槽和托瓦槽的寬度均有所磨損導(dǎo)致尺寸變大。特別是活塞環(huán)槽,檢測已經(jīng)呈現(xiàn)喇叭口形狀。根據(jù)這個情況運行中斜口位置將發(fā)生頂死現(xiàn)象,與之前斜口端斷裂狀況吻合。而軸向間隙隨著時間推移已經(jīng)越來越大,當(dāng)活塞體運動時,活塞環(huán)和托瓦前后撞擊環(huán)槽兩側(cè)面,由于材料粘合效果和致密性不好,逐層脫落,脫落物再擠壓磨損,造成了最終的損壞狀態(tài)。綜上,我們得出了改進(jìn)的方向:

        (1)更換托瓦、活塞環(huán)的供貨商,提升材質(zhì),提高加工工藝水平;

        (2)重新設(shè)計熱膨脹預(yù)留間隙值;

        (3)對托瓦的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行升級。

        軸向間隙變大后托瓦撞擊環(huán)槽示意圖如圖7所示。

        圖7 軸向間隙變大后托瓦撞擊環(huán)槽示意圖

        2 改進(jìn)

        2.1 改進(jìn)措施

        從實際的損傷來看,托瓦的狀態(tài)更加惡劣,在上述的分析過程中,雖然托瓦采用兩側(cè)開設(shè)泄壓槽的設(shè)計方式,相對比較簡單,為確保改造的效果更加理想,在保證不改變原有設(shè)計理念的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

        從圖8中可以看出,經(jīng)過托瓦處壓力P1,P2產(chǎn)生了壓差,壓差將對托瓦形成一個壓向氣缸的力,從而成為托瓦摩擦力的一個來源。摩擦力越大,托瓦產(chǎn)生的熱量越大,磨損加快,更加容易失效。從對托瓦的工作要求而言,我們希望托瓦只是承載活塞體組件的質(zhì)量,起到支撐作用,免其擔(dān)任活塞環(huán)的密封作用,所以結(jié)構(gòu)改型上,我們采用了圖9的形式。帶斜切口,有側(cè)向和表面泄壓槽,充分減少氣體壓力對環(huán)的影響,泄壓槽的方向相互錯列,防止托瓦的轉(zhuǎn)動,減少磨損。同時,將對材質(zhì)進(jìn)行升級,由原先的PTFE材質(zhì)升級為PTWFE(企業(yè)內(nèi)部代號),之所以未采用CRPTFE(加碳纖維),主要目的在于PTWFE內(nèi)部添加的是鈦酸鉀晶須,相比于碳纖維而言更加的細(xì),混合后可以使復(fù)合材料更加的均勻,使用效果更好[1]。

        圖8 托瓦受壓示意圖

        圖9 新托瓦結(jié)構(gòu)

        根據(jù)我們的意見加工廠家標(biāo)注了圖紙尺寸:開口間隙為16 mm,托瓦軸向間隙為0.55~0.65 mm,該材質(zhì)熱膨脹系數(shù)為12×10-5,環(huán)境溫度為20 ℃。計算托瓦的溫差Δt=出口溫度-入口溫度/2+10 ℃+ (入口溫度-環(huán)境溫度)

        計算可得托瓦在正常工作狀態(tài)下的溫升為70 ℃。按熱膨脹計算公式:

        σ=λ×L×Δt=0.000 12×3.14×406×70=10.7 mm<16 mm,開口間隙安全。

        σ=λ×L×Δt=0.000 12×63×70=0.52 mm<0.55 mm,側(cè)向間隙安全。

        針對活塞環(huán)部分,其結(jié)構(gòu)無明顯的缺陷,所以整體改造按照材料升級展開。首先方案一:將活塞環(huán)的材質(zhì)升級為PTWFE,詳細(xì)圖紙如圖10所示。

        圖10 方案一活塞環(huán)改造示意圖

        根據(jù)圖紙上的尺寸開口間隙值為13.2 mm,軸向間隙值為0.37~0.42 mm,該材質(zhì)熱膨脹系數(shù)為12×10-5,環(huán)境溫度為20 ℃。計算活塞環(huán)的溫差Δt=出口溫度-入口溫度/2+10 ℃+ (入口溫度-環(huán)境溫度)

        計算可得活塞環(huán)在正常工作狀態(tài)下的溫升為70 ℃。按熱膨脹計算公式:

        σ=λ×L×Δt=0.000 12×3.14×406×70=10.7 mm<13.2 mm,開口間隙安全。

        σ=λ×L×Δt=0.000 12×12.5×70=0.10 5mm<0.37 mm,側(cè)向間隙安全。

        方案二:將活塞環(huán)的材質(zhì)升級為PEEK(聚醚醚酮)。該材質(zhì)具有耐高溫260 ℃、機(jī)械性能優(yōu)異、自潤滑性好、耐化學(xué)品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐磨性、耐強(qiáng)硝酸、濃硫酸、抗輻射、超強(qiáng)的機(jī)械性能等特點[3]。

        由于PEEK材料總體的“鋼性”要比一般的PTWFE材質(zhì)要高很多,所以想要制作成一整根的結(jié)構(gòu)會對后期的安裝造成較大的困難,很難掰開且安裝過程開口過大容易使其折斷。PEEK材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)接近于鋁,在2.3×10-5左右(添加物不同該系數(shù)會有變化),所以應(yīng)重新調(diào)整斜口開口間隙和活塞環(huán)側(cè)向間隙。調(diào)整以開口間隙接近熱膨脹間隙但必須確保不脹死,側(cè)向間隙在熱膨脹后還留有0.20 mm左右為原則。另外,由于廠家磨具沒有2段式的,所以將其改成3段式的結(jié)構(gòu),較2段式結(jié)構(gòu),在安裝上難度要稍高一些[2]。

        2.2 改進(jìn)范圍

        根據(jù)之前的運行情況,一、二級缸托瓦活塞環(huán)發(fā)生故障現(xiàn)象概率相同,為了確保改造性質(zhì)的穩(wěn)定和節(jié)約成本考慮,且二級缸的壓力相對而言更加高一些,故先對二級缸提起改造。改造的詳細(xì)方案如下:托瓦材質(zhì)升級為PTWFE,加工數(shù)量二級缸2套,寄售庫物資編碼保持不變;活塞環(huán)材質(zhì)升級為PTWFE,加工數(shù)量二級缸1套,寄售庫物資編碼保持不變;另再加工1套二級缸活塞環(huán),材質(zhì)升級為PEEK,暫時不進(jìn)行物資編碼,待使用后再結(jié)算。改造從2016年3月開始。

        3 結(jié)語

        2016年3月21日, C3102B往復(fù)機(jī)計劃中修,利用本次中修機(jī)會,先將PTWFE材質(zhì)的托瓦、活塞環(huán)進(jìn)行了安裝試用。安裝后運行至2017年1月6日,機(jī)組解體后檢查托瓦、活塞環(huán)情況,未發(fā)現(xiàn)托瓦、活塞環(huán)碎裂以及嚴(yán)重磨損的現(xiàn)象。將PTWFE材質(zhì)的托瓦和PEEK三段式的活塞環(huán)安裝試用。安裝后運行至2019年2月18日解體中修,檢查托瓦、活塞環(huán)情況,磨損正常無碎裂現(xiàn)象。同步比對活塞環(huán)槽、托瓦槽寬度和氣缸直徑的變化,根據(jù)前后兩次的比對,活塞環(huán)、托瓦槽寬無明顯增加,氣缸直徑無明顯變大。這意味著新材質(zhì)的托瓦、活塞環(huán)在材質(zhì)升級后并未在自身各方面提高后反向造成活塞體和氣缸的過大磨損。從兩次試用的結(jié)果來看,均滿足實際使用的需求,考慮到PEEK材質(zhì)的活塞環(huán)較PTWFE材質(zhì)的活塞環(huán)在生產(chǎn)成本上更加高,且結(jié)構(gòu)為3段式,現(xiàn)場安裝難度較大。

        綜合考慮后決定采取材質(zhì)均升級為PTWFE這個方案。至此,本次改造已經(jīng)全部實現(xiàn)初始設(shè)定的目標(biāo),改造結(jié)果非常成功。文章通過對此次改造過程問題的分析和總結(jié),并通過試驗得到了一些相關(guān)經(jīng)驗,希望能為同類設(shè)備在今后處理類似問題上提供一些借鑒。

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