呂 勇，賈冬穎，姚 勇，胡云濤，胥中平

（1.攀鋼釩能源動力分公司，四川攀枝花 617062；2.攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川攀枝花 617062）

前言

攀鋼中壓焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)共有5 臺L12.5/8 型二級壓縮無油潤滑焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)，將焦?fàn)t煤氣主管網(wǎng)經(jīng)脫硫脫萘系統(tǒng)凈化后的6 kPa 焦?fàn)t煤氣，壓縮加壓至0.8 MPa，送至變壓吸附制氫系統(tǒng)制取純度96%以上的氫氣，供連鑄坯氫氧切割和中間包烘烤等使用。

1 壓縮機(jī)故障情況統(tǒng)計(jì)

中壓焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)的5 臺焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)（三用兩備或四用一備）在投產(chǎn)后，檢修頻次逐漸增高，從初始的每半年28 次增至每月41 次，單臺壓縮機(jī)正常運(yùn)行周期小于4天。壓縮機(jī)故障部位統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1。

圖1 焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)故障部位統(tǒng)計(jì)

由圖1 可知，焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)出現(xiàn)故障較多的部位是吸、排氣閥片和活塞環(huán)。

2 原因分析

通過跟蹤分析，造成焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)故障頻發(fā)的主要原因如下。

2.1 焦?fàn)t煤氣粉塵、焦油、萘等雜質(zhì)高

對進(jìn)壓縮機(jī)前的焦?fàn)t煤氣取樣分析，雜質(zhì)含量見表1。

表1 進(jìn)壓縮機(jī)前焦?fàn)t煤氣雜質(zhì)含量 mg/m3

由表1可知，焦?fàn)t煤氣中雜質(zhì)主要是焦油、萘和粉塵。

在壓縮機(jī)壓縮過程中，隨著氣壓升高，相應(yīng)的焦油、萘組分飽和分壓增加，焦油、萘容易析出，與粉塵結(jié)合形成黏結(jié)塊，特別是在經(jīng)過中間冷卻器冷卻后，壓縮機(jī)二級缸內(nèi)結(jié)塊現(xiàn)象更加明顯，其給系統(tǒng)帶來的故障如下。

（1）壓縮機(jī)吸、排氣閥動作失效

氣閥是活塞式壓縮機(jī)重要部件之一，直接關(guān)系到壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。壓縮機(jī)的吸、排氣閥的閥片是在兩邊壓差作用下開啟，閥片起、閉動作應(yīng)及時(shí)迅速并開關(guān)到位［1］。但檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的吸、排氣閥上吸附很多雜質(zhì)，導(dǎo)致閥體開啟動作慢且不能完全開啟，引起壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)失效、一排壓力超高、二排壓力低以及吸、排氣閥密封性降低等故障，壓縮機(jī)運(yùn)行能力大幅度降低。

（2）壓縮機(jī)逆止閥關(guān)閉不嚴(yán)

經(jīng)過壓縮機(jī)兩級壓縮后的煤氣帶有較多的黏結(jié)塊，堆積在壓縮機(jī)出口逆止閥處，導(dǎo)致逆止閥關(guān)閉緩慢、密封性差。

（3）一級、二級活塞環(huán)和缸體磨損加劇

帶有較多黏結(jié)塊的煤氣，對壓縮機(jī)一級活塞環(huán)、二級活塞環(huán)和缸體產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致壓縮機(jī)活塞環(huán)前后串氣，活塞桿與缸體氣封處壓力升高，煤氣從氣封處泄漏到連桿瓦箱、曲軸箱等，造成現(xiàn)場CO含量超標(biāo)（高達(dá)100～150 mg/m3），存在安全隱患，也帶來氣封、油封損壞，潤滑油變質(zhì)等一系列問題。

2.2 焦?fàn)t煤氣水分含量高

焦?fàn)t煤氣含有飽和水，甚至存在部分機(jī)械水（以液滴的形態(tài)存在于煤氣中的水）。隨著氣體壓力升高，其飽和分壓也升高，水分更加容易析出，在一級缸體、二級缸體留存，特別是一級排氣冷卻器和油水分離器留存現(xiàn)象嚴(yán)重。原有壓縮機(jī)沒有考慮相應(yīng)排水設(shè)施，排水效果差，從而造成壓縮機(jī)因氣閥損壞、活塞環(huán)受力變化等引發(fā)故障。

2.3 壓縮機(jī)活塞環(huán)、氣閥等選材不當(dāng)

（1）壓縮機(jī)活塞環(huán)材質(zhì)

壓縮機(jī)活塞環(huán)材質(zhì)為PPR。該材質(zhì)在氣缸壓縮溫度達(dá)160 ℃時(shí)，對于焦油、萘的耐化學(xué)浸蝕性為不耐浸蝕。且焦?fàn)t煤氣中還含有粉塵顆粒，在壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)、無油潤滑狀態(tài)下，易導(dǎo)致活塞環(huán)磨損嚴(yán)重。

（2）氣閥材質(zhì)

壓縮機(jī)吸、排氣閥采用的是不銹鋼銅包墊，其材料回彈性差且易變形，在壓縮機(jī)壓力工況下密封性能迅速降低，無法再次使用，只能更換，維護(hù)成本較高。

（3）缸體墊圈、氣封、油封和其他結(jié)構(gòu)材質(zhì)

壓縮機(jī)缸體墊圈采用普通橡膠圈，不耐高溫，容易變形，易造成缸體端面煤氣泄漏等故障。

氣封材質(zhì)采用普通橡膠，壓蓋壓緊方式，沒有流散管和氮?dú)饷芊猓壮霈F(xiàn)煤氣泄漏等故障。

油封采用普通鋁合金梳齒密封，易磨損，油封效果差，存在漏油等故障。

閥座及升程限制器采用普通鋼材，存在銹蝕等故障。

曲軸、連桿、活塞桿等重要運(yùn)動部件材質(zhì)使用普通合金鋼，長時(shí)間使用存在變形等故障。

2.4 檢修質(zhì)量差

雖然壓縮機(jī)故障頻繁，但為保產(chǎn)其檢修基本處于搶修狀態(tài)，只能處理緊急故障，檢修質(zhì)量無法保證，如活塞環(huán)與缸體四周間隙、端面間隙、連桿水平度、滑塊與瓦間隙、十字頭間隙、曲軸與瓦間隙、氣閥安裝密封性等均沒有按照規(guī)范要求調(diào)整。

3 改進(jìn)措施

針對上述原因，采取改進(jìn)措施如下。

3.1 控制焦?fàn)t煤氣雜質(zhì)和含水量

3.1.1 提升壓縮機(jī)一級進(jìn)氣焦?fàn)t煤氣品質(zhì)

為提升焦?fàn)t煤氣品質(zhì)，在壓縮機(jī)進(jìn)口設(shè)置了兩套除塵裝置。

（1）壓縮機(jī)進(jìn)口管道上設(shè)置錐形過濾器，詳見圖2。通過濾網(wǎng)過濾掉大顆粒粉塵和液滴。錐形濾芯的設(shè)計(jì)是為了在保障過濾面積的基礎(chǔ)上盡量減小設(shè)備的體積。

圖2 錐形過濾器及濾芯

（2）設(shè)置一級洗滌罐，洗滌罐內(nèi)安裝絲網(wǎng)除沫器和噴淋洗滌裝置，絲網(wǎng)除沫器結(jié)構(gòu)見圖3。絲網(wǎng)除沫器具有比表面積大、使用方便、壓降小以及除液滴效率高等優(yōu)點(diǎn)。焦?fàn)t煤氣在除沫器中由于絲網(wǎng)阻擋，迫使氣體不斷改變運(yùn)動方向，從而使夾帶的液滴滯留在網(wǎng)上。被除掉的液滴在除沫器底部聚積，當(dāng)聚積到一定液量后便下落到洗滌罐底部，通過高壓排水器排出，形成動態(tài)平衡。

圖3 一級洗滌罐及絲網(wǎng)除沫器

當(dāng)出現(xiàn)一級進(jìn)口壓力降低時(shí)，可以短時(shí)間停運(yùn)該壓縮機(jī)，使用噴淋洗滌裝置對絲網(wǎng)除沫器進(jìn)行洗滌，也可以直接更換絲網(wǎng)除沫器內(nèi)絲網(wǎng)。

3.1.2 提高一排冷卻器冷卻能力并設(shè)置獨(dú)立的二級洗滌罐和油水分離器

大幅度提高壓縮機(jī)一排冷卻器冷卻能力，將冷卻面積提高50%，保證煤氣冷卻至35 ℃以內(nèi)。

設(shè)置獨(dú)立的二級洗滌罐和油水分離器。一級壓縮后，焦?fàn)t煤氣壓力增加，雜質(zhì)沸點(diǎn)也隨之升高，待冷卻到35 ℃以下后，焦油、萘、粉塵、水分等析出凝結(jié)成液體或固體。為盡可能脫除雜質(zhì)，在中間冷卻器和二級氣缸間設(shè)置獨(dú)立的大容積二級洗滌罐、旋風(fēng)式油水分離和絲網(wǎng)除沫器，定期排污或者更換絲網(wǎng)，以保證二級進(jìn)氣品質(zhì)，提高壓縮機(jī)運(yùn)行周期。

3.1.3 一級缸、二級缸活塞連桿側(cè)與氣封之間增設(shè)排污管

一級缸、二級缸活塞連桿側(cè)與氣封之間增設(shè)排污管，可定期排除部分雜質(zhì)和水分，改造后焦?fàn)t煤氣氣體壓縮流程如下。

焦?fàn)t煤氣→錐形過濾器→一級洗滌罐（內(nèi)設(shè)絲網(wǎng)除沫器）→一級氣缸→中間冷卻器→二級洗滌罐（內(nèi)設(shè)旋風(fēng)油水分離器、絲網(wǎng)除沫器）→二級氣缸→后冷分離器→逆止閥→中壓焦?fàn)t煤氣主管網(wǎng)。

3.2 壓縮機(jī)吸、排氣閥片材料及閥座改質(zhì)

焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)的吸、排氣閥片要求使用期限長，耐腐蝕、易于維修、標(biāo)準(zhǔn)化水平高。原有的不銹鋼銅包墊材質(zhì)，由于材料回彈性差、密封性差，不適用現(xiàn)場要求。

重新選用PEEK 工程塑料作為吸、排氣閥片材質(zhì)。該材質(zhì)具有耐高溫、自潤滑、易加工、高機(jī)械強(qiáng)度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕、嵌藏性好等優(yōu)點(diǎn)，且具有一定彈性，具備軟密封功能，即使密封面上有小顆粒物也不會影響其密封效果［2］。

將閥座材質(zhì)從碳鋼改為不銹鋼，解決了閥座生銹和腐蝕的問題。

同時(shí)，為了減少焦?fàn)t煤氣內(nèi)雜質(zhì)對吸、排氣閥的黏附，對吸、排氣閥座結(jié)構(gòu)和安裝角度進(jìn)行了調(diào)整，減少了積水、積塵和積聚焦油的問題。同時(shí)安裝吸、排氣閥套排污管，采用定時(shí)排污的方式進(jìn)行日常維護(hù)。圖4 為改造后焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)定修（半年為一個(gè)運(yùn)行周期）拆卸下來的氣閥和氣閥座，未發(fā)現(xiàn)沉積物和損壞。

圖4 定修拆卸下來的氣閥和氣閥座

3.3 一、二級缸活塞環(huán)、支撐環(huán)改質(zhì)

壓縮機(jī)一、二級缸活塞環(huán)、支撐環(huán)改用耐磨鑄鐵材質(zhì)。耐磨鑄鐵在氣缸壓縮溫度160 ℃下，對焦油、萘的耐化學(xué)浸蝕性優(yōu)良，耐磨性能大幅度提高。圖5 為改質(zhì)后的壓縮機(jī)活塞環(huán)及二級缸，未出現(xiàn)磨損或斷裂。

圖5 改質(zhì)后的壓縮機(jī)活塞環(huán)及二級缸

3.4 一、二級缸和氣封采用壓力注油潤滑

為了減少粉塵等小顆粒物對活塞環(huán)及氣缸的磨損，壓縮機(jī)一、二級缸采用壓力注油潤滑方式。在減小機(jī)組摩擦功的同時(shí)，減少滑動部位的磨損，延長零件壽命［3］。

氣缸填料處的潤滑油由單柱塞真空滴油式注油器提供，按分配閥結(jié)構(gòu)比例精確分配到各個(gè)注油點(diǎn)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)螺套，使?jié)櫥土吭?～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.5 壓縮機(jī)氣封改造、增加流散管和N2密封

（1）將壓縮機(jī)一、二級缸氣封填料密封環(huán)改質(zhì)為聚四氟乙烯塑料，其在焦?fàn)t煤氣雜質(zhì)下具有優(yōu)良的耐腐蝕性，同時(shí)具有較好的耐高溫性、自潤滑性、和抗蠕變性，可提高密封性能。

（2）增加流散管。為防止氣封處煤氣泄漏，活塞環(huán)與氣封之間缸體空隙處增加流散管，降低該空隙內(nèi)部壓力。流散管將煤氣引至廠房頂部放散。

（3）增加N2密封。在壓縮機(jī)一、二級缸氣封填料處增加N2密封裝置，與流散管和聚四氟乙烯填料共同作用，防止煤氣在廠房內(nèi)泄漏。

3.6 活塞連桿、曲軸、活塞桿改質(zhì)

活塞連桿、曲軸等重要運(yùn)動部件采用45＃鍛鋼制造?；钊麠U采用合金結(jié)構(gòu)鋼（40Cr）制造，摩擦段表面淬火處理。對油封結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，增加刮油環(huán)。

3.7 提高檢修質(zhì)量

制定了壓縮機(jī)檢修規(guī)程和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，要求對活塞環(huán)與缸體四周間隙、端面間隙、連桿水平度、滑塊與瓦間隙、十字頭間隙、曲軸與瓦間隙、氣閥安裝密封性等按規(guī)范要求調(diào)整，以保證檢修質(zhì)量，滿足長周期運(yùn)行需求。

4 結(jié)語

針對中壓焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)故障進(jìn)行原因分析，改進(jìn)了壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了壓縮機(jī)吸、排氣閥片、閥座、活塞環(huán)、支撐環(huán)等材質(zhì)選型，采用壓力注油潤滑、定期排污和N2密封等一些列措施，解決了焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)故障頻發(fā)、廠房內(nèi)CO 超標(biāo)等問題。中壓焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)檢修周期延長至6 個(gè)月，大幅度降低檢修工作量，達(dá)到了長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行目的，滿足了連鑄坯氫氧切割和中包烘烤等生產(chǎn)需求。