帥 輝，洪 煥，劉 杰

（杭州杭氧壓縮機有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

氧氣壓縮機是對氧氣進行采集和輸送的主要設(shè)備[1]，為保證能源采集質(zhì)量的進一步提高，需要重視氧氣壓縮機運行的穩(wěn)定性。本文主要針對活塞力12 t 的氧氣壓縮機在長時間工作后活塞桿過熱進行故障分析，針對故障原因提出相應(yīng)的改造方案，減少壓縮機的非計劃停工，保證壓縮機正常生產(chǎn)。

1 故障壓縮機主要結(jié)構(gòu)

氧氣壓縮機采用活塞環(huán)對活塞與氣缸之間的縫隙進行密封，采用填料密封對活塞桿與氣缸之間的縫隙進行密封。通過貼合氣缸鏡面和活塞環(huán)面可以防止軸向氣體的泄漏，通過貼合環(huán)槽和活塞斷面可以防止徑向氣體的泄漏[2]。

（1）填料：填料盒的密封原理主要是依靠氣體的壓力差，采用無油潤滑方式，冷卻水在填料盒的外部流通，填料盒內(nèi)部有用來密封的密封圈[3]。

（2）活塞：共三級活塞，一、二級為分體式鑄鋁材料，三級為鑄銅材料?；钊饕? 部分組成，分別是起密封作用的密封環(huán)，支撐環(huán)具有支撐作用，活塞桿的主要作用是傳動，活塞螺母具有固定作用[4]?；钊麠U和氣缸之間為無油潤滑[5]。采用填充聚四氟乙烯塑料作為活塞桿和支承環(huán)的密封材料。同時也有采用迷宮密封的活塞，活塞桿的鍛造采用的是30Cr13 材料，鍛造完成后還需要進行調(diào)質(zhì)處理，利用硬化處理加強活塞桿的強度，這樣不僅可以增加活塞桿的耐磨性，還可以增加活塞桿的機械性能[6]。

（3）氣缸：氧氣壓縮機的氣缸是壓縮機重要的組成部分，干式襯套布置在氣缸的內(nèi)側(cè)，活塞的兩頭設(shè)計有可作為密封裝置的缸蓋和缸座。氣缸內(nèi)部設(shè)計有能夠通過循環(huán)水冷卻的水層間嵌入。活塞的一側(cè)設(shè)置支承部件，用以支承氣缸的平穩(wěn)度[7]。

2 故障現(xiàn)象

（1）氧氣壓縮機在工作過程中，如果活塞桿的溫度過高，設(shè)備會出現(xiàn)聯(lián)鎖報警，甚至?xí)鹧鯄簷C的爆燃。停機檢查發(fā)現(xiàn)有比較清晰的劃痕出現(xiàn)在活塞桿表面。

（2）將設(shè)備的填料盒和活塞拆卸下來檢修，發(fā)現(xiàn)填料環(huán)存在比較嚴重的磨損現(xiàn)象。

3 原因分析

由活塞式壓縮機的工作原理可知，氣體在增壓的同時溫度也會上升。增壓增溫的氣體通過在氣缸水冷卻夾套和級間冷卻器進行冷卻，冷卻原理是氣體與冷卻水進行熱交換。循環(huán)冷卻水的溫度全年低于28 ℃，在設(shè)計工藝指標范圍內(nèi)。當(dāng)冷卻后的氣體溫度過高時，首先需要考慮的問題是冷卻水與氣體的熱交換能力差，水管中的水不能帶走足夠多的氣體熱量。通過設(shè)備現(xiàn)場實際情況檢查分析，氧氣壓縮機各級進排氣溫度過高是由于夾套冷卻水管路設(shè)計布置不當(dāng)造成的。

實際設(shè)置是將各級氣缸冷卻水管路串聯(lián)，導(dǎo)致一級氣缸夾套的冷卻水進水為一、二級間冷卻器的排水，溫度高達45 ℃，不僅氣缸夾套的冷卻能力大大降低，同時也極易導(dǎo)致結(jié)垢，進一步削弱了熱交換能力。一級氣缸的高溫對進氣的加熱作用導(dǎo)致了一級進氣溫度超高。二、三級氣缸進氣溫度過高則是由于一、二級排氣溫度高，超過了級間冷卻器的冷卻設(shè)計能力造成的。原設(shè)計為獨立清水冷卻，實際使用循環(huán)冷卻水，由于循環(huán)冷卻水回水總管有背壓，導(dǎo)致進水與回水壓差小，水的流速過小，冷卻能力降低。

該壓縮機活塞桿填料由1 組節(jié)流環(huán)、4 組中間主密封環(huán)和1組漏氣密封環(huán)組成。所有環(huán)均為三剖分結(jié)構(gòu)，每個環(huán)都用兩道彈簧箍緊在一起。節(jié)流環(huán)內(nèi)表面無迷宮密封槽，與活塞桿間隙配合0.07 mm，蓋側(cè)端面用彈簧壓實，且有0.25 mm 的間隙。

中間4 組主密封環(huán)使用迷宮密封槽，與活塞桿間隙配合0.07 mm，蓋側(cè)端面用彈簧壓實，且有0.25 mm 的間隙。

漏氣密封環(huán)無迷宮密封槽，內(nèi)側(cè)設(shè)置一圈小孔，使泄漏的氣體返回到壓縮機的進口處，利用兩道彈簧使漏氣密封環(huán)抱緊在活塞桿上，但徑向切口處有2 mm 的補償量，軸向無補償空間，運行中由于材料受熱膨脹，漏氣密封環(huán)軸向極易阻滯，使漏氣密封環(huán)不能與活塞桿正常箍緊，徑向磨損得不到補償，導(dǎo)致漏氣密封環(huán)偏磨、間隙變大，高溫氧氣的泄漏量隨之加大，使活塞桿溫度升高。

綜上分析，冷卻水管路接反、漏氣密封環(huán)間隙配合不當(dāng)、及填料冷卻不充分是造成活塞桿溫度過高的原因。

4 改造方案

根據(jù)故障分析結(jié)果，更正冷卻水管路和調(diào)整漏氣密封環(huán)間隙后，決定同時改造壓縮機的填料（圖1）。

圖1 改造后的壓縮機

（1）對進水口的位置進行重新設(shè)計。原進水口設(shè)計在填料法蘭上，新增進水口需要重新選擇合適的位置。在原來的冷卻系統(tǒng)中新增一路輔助冷卻水。實施方案如下：填料法蘭軸側(cè)新增壓蓋與密封盒，為標準間隙配合，刮水環(huán)布置在兩者之間。刮水槽、集水道和冷卻水進口設(shè)計在填料法蘭上，填料裝復(fù)壓縮機之后，新增密封盒和活塞桿將填料法蘭徑向空隙圍成一圈，形成一道環(huán)形腔，此腔可以連通進水道和集水道。將集水道設(shè)計在填料法蘭的軸側(cè)，利用新增密封盒和填料法蘭形成一道密閉的空腔。

（2）當(dāng)壓縮機和冷卻系統(tǒng)運行時，需要保證輔助冷卻水道也在同步運行，具體的方案是：將輔助冷卻水注入進水道，注入的冷卻水要有壓差，冷卻水沿著進水道流動，在噴水小孔的位置噴灑到活塞桿表面，通過這種方式對活塞桿進行冷卻，剩余的冷卻水沿著管道繼續(xù)向下流，最后通過集水道從填料中流出。

（3）針對刮水槽的設(shè)計，刮水槽的主要作用是防止氣缸進入冷卻水，針對刮水環(huán)的設(shè)計，主要是為了防止冷卻水流出填料外部，刮水環(huán)和集水道主要是基于密封盒和壓蓋進行設(shè)計。

（4）刮水槽的密封設(shè)計。刮水槽設(shè)計在填料法蘭上，采用的是迷宮封存技術(shù)。該技術(shù)的主要原理是，將多個曲折的小室設(shè)計在固定件和運動件之間，將多個環(huán)形密封齒槽依次排列到運動件周圍，這樣會有節(jié)流間隙和膨脹空腔出現(xiàn)在相鄰的齒槽之間，被密封的冷卻水在流動過程中，經(jīng)過這些齒槽時產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，從而達到密封效果。

（5）根據(jù)迷宮原理設(shè)計密封裝置，且這樣的密封方式是非接觸式，不僅可以有效防止循環(huán)水對工藝氣體造成污染，還因為各零件之間不存在接觸，避免因摩擦而產(chǎn)生的密封環(huán)碎屑。最主要的是密封性能不會受到固體顆粒的影響，可靠性高。

5 改造效果驗證

氧氣壓縮機改造后，經(jīng)過大量實驗對改造方案進行驗證，結(jié)合大量的實驗數(shù)據(jù)后得出，為了保證活塞桿表面不會出現(xiàn)65 ℃以上的溫度，需要保證冷卻水的流速保持在10～70 kg/h。不同的活塞桿直徑需要的冷卻水流速是不同的，需要經(jīng)過具體的計算才能得出。

本文在實驗時采用的活塞桿的直徑為80 mm，將冷卻水的進水壓力控制在0.3 MPa，進水口冷卻水溫度保持在28 ℃左右。

經(jīng)過實驗和公式計算得出，想要保證活塞桿的溫度始終不超過65 ℃，需要保證輔助冷卻水的流速始終保持在20 kg/h，因為冷卻水在對活塞桿冷卻的過程中，溫度會逐漸升高，為了保證冷卻水的溫度變化，需要考慮冷卻水的冷卻系數(shù)。經(jīng)過大量的實驗數(shù)據(jù)得出，冷卻系數(shù)為1.8 倍時的冷卻效果最高。因此，為了保證冷卻水對活塞桿的冷卻效果，需要保證冷卻水的流速保持在36 kg/h。本文的設(shè)計方案采用噴水小孔對活塞桿進行冷卻，需要設(shè)計合適的噴水孔直徑才能保證活塞桿的冷卻效果，經(jīng)過多次的實驗證明，當(dāng)冷卻小孔的直徑為2 mm 時，對活塞桿的冷卻效果最好。

經(jīng)過多次實驗，對活塞桿溫度進行實時檢測，最終的結(jié)果顯示，改造后的氧氣壓縮機可以保證活塞桿的溫度始終保持在65 ℃以下，驗證了改造方案可行，可以有效解決活塞桿溫度過高的問題。

6 總結(jié)

為了解決氧氣壓縮機活塞桿溫度過高的問題，首先對氧氣壓縮機的基本結(jié)構(gòu)進行介紹，根據(jù)活塞桿在溫度過高后的故障表現(xiàn)，分析可能造成活塞桿溫度過高的原因，針對這些原因，設(shè)計氧氣壓縮機填料改造方案，利用迷宮封存技術(shù)設(shè)計壓縮機刮水槽和填料小孔冷卻結(jié)構(gòu)，通過控制冷卻水的溫度和流速，從而達到對活塞桿進行降溫的作用。最后對改造后的氧氣壓縮機進行實驗，實驗結(jié)果表明改造成功。希望本文的改造可以為氧氣壓縮機提供一些設(shè)計思路。