卓旻，曲慧

（恒河材料科技股份有限公司，浙江寧波 315207）

C302ABCD 四臺(tái)新氫壓縮機(jī)是某煉化公司加氫裂化裝置核心機(jī)組，型號(hào)為4M50-36/11-192-BX，盡管該機(jī)型具有排氣量大，能耗低，維修方便等優(yōu)點(diǎn)，但四臺(tái)機(jī)組運(yùn)行以來(lái)多次出現(xiàn)一級(jí)缸故障導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī)檢修，一級(jí)缸內(nèi)活塞故障不僅給裝置正常安全生產(chǎn)造成威脅，同時(shí)也增加了大量的檢修作業(yè)及配件更換費(fèi)用。故障現(xiàn)象主要是一級(jí)缸出現(xiàn)“鐺鐺”撞擊聲或出現(xiàn)異常尖叫摩擦聲。機(jī)組結(jié)構(gòu)與一級(jí)缸相關(guān)工藝參數(shù)如表1。

表1 參數(shù)表Tab.1 Parameters table

1 一級(jí)活塞故障現(xiàn)象及原因分析

1.1 一級(jí)缸出現(xiàn)撞缸異響

操作工現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)多次發(fā)現(xiàn)一級(jí)缸明顯撞缸現(xiàn)象，伴有較大響聲及劇烈振動(dòng)，輕微撞缸聲音在平時(shí)工程師特護(hù)巡檢時(shí)也偶有發(fā)現(xiàn)。在緊急故障停機(jī)后，一級(jí)缸解體均發(fā)現(xiàn)一級(jí)活塞故障如圖1?；钊w末端工藝孔螺塞移出，移出高度大于止點(diǎn)間隙（間隙標(biāo)準(zhǔn)為5±1mm）后出現(xiàn)撞缸現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)活塞已撞出裂紋。為防止再次出現(xiàn)工藝孔螺塞移位情況，檢修單位在螺塞處增加固定孔，加裝防松緊定螺釘，如圖2。但螺塞依然有脫出現(xiàn)象，只是運(yùn)行周期長(zhǎng)了一些而已，解決不了根本問(wèn)題。

圖1 螺塞移除Fig.1 Plug removal figure

圖2 螺塞增加防松緊定螺釘Fig.2 Plug with additional anti-loosening set screw

原因分析：

針對(duì)其中兩次較嚴(yán)重撞缸事故，對(duì)缸體內(nèi)垢樣異物進(jìn)行分析，結(jié)果類(lèi)似，除有受損脫落的金屬外，還存在其他元素成分，具體如表2。

表2 缸體內(nèi)垢樣異物分析數(shù)據(jù)Tab.2 Analysis data of foreign matter in the cylinder %

一級(jí)活塞體為鑄造筒形結(jié)構(gòu)，材料QT42-10 球墨鑄鐵。具體結(jié)構(gòu)如圖3，

圖3 一級(jí)故障活塞組件結(jié)構(gòu)形式Fig.3 Structure form of class I fault piston assembly

整體鑄造筒形活塞具有便于加工及安裝的特點(diǎn)，但在鑄造清砂后須留有不可避免的鑄造工藝孔，工藝孔只能利用螺塞固定，雖然在安裝時(shí)螺塞已處于緊固狀態(tài)，但往復(fù)機(jī)在運(yùn)行時(shí)交變載荷、往復(fù)慣性力下產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)輸送介質(zhì)除主要?dú)錃馔膺€含有硫化氫等酸性氣體，螺塞螺紋或緊定螺栓都受有侵蝕，另外因?yàn)榛钊麅?nèi)部有空腔，受壓縮的高壓氣體泄漏到活塞體內(nèi)部，在活塞向曲軸箱側(cè)運(yùn)行時(shí)，螺塞端面壓力為一級(jí)吸氣壓力，而活塞內(nèi)部為壓縮后的氣體壓力，對(duì)螺塞產(chǎn)生額外較大的軸向力，推動(dòng)螺塞逐步松動(dòng)甚至脫出。最大軸向力F計(jì)算如下：

F=?PS=（P2-P1）S=（3.16-1.095）×106×π/4×802×10-6=1.04×104N

式中 ?P——螺塞兩側(cè)的壓差；

P1——一級(jí)吸氣壓力；

P2——一級(jí)排氣壓力；

S——螺塞端面面積（螺塞外徑80 mm）。

1.2 一級(jí)缸體出現(xiàn)異常尖叫摩擦聲

C302 機(jī)組在運(yùn)行中，一級(jí)缸體也有發(fā)生尖銳摩擦聲音，同時(shí)伴有缸體溫度及排氣溫度增加，緊急停車(chē)后，發(fā)現(xiàn)下部支撐環(huán)已移位，造成活塞體磨損及缸體拉毛事故，如圖4、圖5所示。

圖4 一級(jí)活塞體磨損Fig.4 Class I piston wear

圖5 一級(jí)缸體內(nèi)鏡面拉毛Fig.5 Internal mirror pulling of class I cylinder

原因分析：

如圖3 活塞體結(jié)構(gòu)圖，兩個(gè)支撐環(huán)安裝在活塞底部?jī)山M支撐環(huán)槽內(nèi)，支撐環(huán)只占活塞圓周的1/3（120°），支撐環(huán)材料為PEEK 工程塑料，每個(gè)支撐環(huán)都由兩個(gè)定位環(huán)定位。定位環(huán)用浸有防松劑的沉頭螺釘固定在活塞上。在安裝活塞時(shí)，要在活塞端面及氣缸蓋端面標(biāo)出它的正確位置，且防止在調(diào)整止點(diǎn)間隙及連接十字頭與活塞桿時(shí)整體轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。

此種結(jié)構(gòu)僅靠下部支撐環(huán)支撐整個(gè)活塞，活塞上部間隙較大，因此在運(yùn)行時(shí)，活塞跳動(dòng)較大，引起機(jī)組振動(dòng)偏大。運(yùn)行的介質(zhì)具有一定腐蝕性，導(dǎo)致定位環(huán)上沉頭螺釘松動(dòng)，使定位環(huán)滑出，此刻僅有活塞圓周1/3 的支撐環(huán)在活塞環(huán)槽內(nèi)部移動(dòng)，當(dāng)錯(cuò)開(kāi)支撐部位時(shí)，引起活塞體與缸體發(fā)生接觸，出現(xiàn)尖銳摩擦異響。

2 一級(jí)活塞體改造及運(yùn)行效果

2.1 活塞體改造成分體活塞

為避免整體活塞上的螺塞再次脫出造成撞缸事故，活塞體改造成分體活塞，即由前半活塞與后半活塞靠止口拼接而成，同時(shí)在制造過(guò)程中加強(qiáng)質(zhì)量控制。首先確保每個(gè)零件的加工精度，然后編制裝配焊接組裝工藝，嚴(yán)格按工藝要求把好每一道工序的質(zhì)量關(guān)[2]。活塞組件在安裝時(shí)，先初緊活塞螺母至兩半活塞靠死無(wú)間隙后，再將電加熱棒插入活塞桿加熱孔內(nèi)，采取加熱方法使螺母旋轉(zhuǎn)31°達(dá)到預(yù)緊狀態(tài)。此種活塞分體結(jié)構(gòu)從根本上消除了活塞體上設(shè)計(jì)工藝孔產(chǎn)生的螺塞部件，從而也消除了螺塞脫落造成的嚴(yán)重后果。另活塞體材料升級(jí)為QT600-3 球墨鑄鐵，提高活塞整體的剛度與強(qiáng)度，分體活塞結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。活塞外徑尺寸設(shè)計(jì)如下：

圖6 改造后的活塞體Fig.6 Updated pistons

計(jì)算活塞支撐面（即支撐環(huán)）與氣缸的徑向間隙s，氣缸按膨脹計(jì)算[3]如下：

s=αΔtD+s0=1.1×10-5×（135-40）/2×505 + 1

=1.3 mm

式中α——材 料 線 脹 系 數(shù)，QT600 鑄 鐵=1.1×10-5℃-1；

Δt——活塞與氣缸之間的溫度差，℃，可按氣體的吸、排氣溫度差的1/2 考慮；

D——一級(jí)氣缸內(nèi)徑；

s0——按 動(dòng)配合H7/f7 選取，根據(jù)氣缸徑505 mm，查表得約為1 mm。

為防止活塞與氣缸鏡面摩擦及支撐環(huán)磨損預(yù)留量，支撐環(huán)安裝后需高于活塞表面2.0 mm，因此得出活塞外徑D0：

D0=D-s-2.0×2=505-1.3-4.0=499.7 mm。

圓整為499.5 mm。

2.2 活塞體上支撐環(huán)部位改造

為避免再次發(fā)生活塞體及缸體鏡面摩擦的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)活塞體本身結(jié)構(gòu)改造升級(jí)如下：

（1）支撐環(huán)的結(jié)構(gòu)形式改為整圈開(kāi)口且?guī)逗刹?，避免產(chǎn)生背壓，提高其使用壽命[1]。支撐環(huán)改為整圈開(kāi)口形式后，活塞包裹性較好，支撐環(huán)幾乎與整個(gè)氣缸鏡面圓周接觸，也避免了活塞體運(yùn)行中振動(dòng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（2）支撐環(huán)材質(zhì)升級(jí)為潤(rùn)滑性較好的聚酰亞胺材質(zhì)。

（3）活塞上的支撐環(huán)槽去除了兩塊擋塊，可以避免活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)或介質(zhì)對(duì)固定螺栓腐蝕引起擋塊脫落，造成活塞體與缸體內(nèi)缸鏡面摩擦的風(fēng)險(xiǎn)。

計(jì)算支撐環(huán)相關(guān)尺寸：

計(jì)算支撐環(huán)寬度B0

根據(jù) ?l+B0=B

及?l=B0?t

B0=B/（a?t+1）=100/[1.2×10-4×（135-28）+1]

=98.7 mm

式中a——材料線脹系數(shù)，聚酰亞胺=1.2×10-4℃-1；

?t——支撐環(huán)在運(yùn)行期間與常溫安裝的溫度差，℃，運(yùn)行溫度按排氣溫度考慮；

?l——支撐環(huán)熱膨脹量；

B——一級(jí)活塞支撐環(huán)槽寬度。

計(jì)算支撐環(huán)開(kāi)口間隙?l

C+ ?l=L

?l=a?tC

?l=C=a?tL/（1+a?t）=D/（1+a?t）

=1.2×10-4×（135-28）×3.14×505/[1+1.2×10-4×（135-28）]

=20.1 mm

式中C——支撐環(huán)總長(zhǎng)；

L——一級(jí)缸體內(nèi)鏡面圓周長(zhǎng)度。

采用同樣計(jì)算方法，同時(shí)考慮活塞熱膨脹量，計(jì)算出支撐環(huán)厚度為8 mm，最終得出支撐環(huán)尺寸為φ505 mm×φ489 mm×98.7 mm。

2.3 改造后機(jī)組運(yùn)行效果

一級(jí)活塞結(jié)構(gòu)經(jīng)改造投入使用后，再未出現(xiàn)撞缸或其他雜音情況，大大延長(zhǎng)了一級(jí)活塞的使用壽命，因一級(jí)缸問(wèn)題引起的非計(jì)劃停機(jī)現(xiàn)象再未發(fā)生，成功地解決了困擾公司多年的難題。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)及機(jī)組運(yùn)行工況的了解，新氫壓縮機(jī)一級(jí)缸故障，原因主要是一級(jí)活塞體設(shè)計(jì)缺陷及運(yùn)行工況引起：

（1）整體圓筒型鑄造活塞的螺塞脫出引起撞缸。

（2）支撐環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，不僅增大了機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)，同時(shí)定位環(huán)松脫容易引起活塞與缸體摩擦。

經(jīng)過(guò)對(duì)一級(jí)活塞體一系列的改造，將整體活塞改造成分體活塞，同時(shí)對(duì)支撐環(huán)結(jié)構(gòu)形式變更，材質(zhì)升級(jí)，最終解決了壓縮機(jī)一級(jí)缸故障率高的問(wèn)題，提高了各部件的運(yùn)行壽命及設(shè)備運(yùn)行周期，降低了機(jī)組檢修次數(shù)，節(jié)約成本，大大縮減了維修費(fèi)用；新氫壓縮機(jī)組投入應(yīng)用后，設(shè)備運(yùn)行良好，避免了機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)檢修，確保了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)加裂裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的保障。