大型往復(fù)式循環(huán)氫壓縮機氣缸缸套旋轉(zhuǎn)失效分析與改進

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(中石油 克拉瑪依石化有限責(zé)任公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

某石化公司120萬t/a柴油加氫改質(zhì)裝置中設(shè)置有2臺大型往復(fù)式循環(huán)氫壓縮機組K-3102/A和K-3102/B，其作用主要是為加氫反應(yīng)提供反應(yīng)氫氣并且?guī)ё叻磻?yīng)熱，是公司特護設(shè)備和裝置生產(chǎn)運行的核心設(shè)備。循環(huán)氫壓縮機組型號MW-34.2/(110-130)-20/(13-22)-X，為固定水冷對置式四列一級少油潤滑往復(fù)式活塞壓縮機，運行條件為一開一備。循環(huán)氫壓縮機工作介質(zhì)為循環(huán)氫(含硫化氫)，進氣壓力11.0 MPa，排氣壓力為13.0 MPa，機組排量190 000 m3/h，電機型號TAW2700-20/2600W，電機功率2 700 kW。

2016-03-22T08：30，在循環(huán)氫壓縮機K-3102/A運行過程當(dāng)中，控制系統(tǒng)DCS顯示其體積流量突然大幅下降，壓縮機發(fā)出尖銳異響，異響消除之后觀察到壓縮機曲軸箱呼吸閥處冒出大量白霧，操作人員立即將K-3102/A切換至備用機K-3102/B。對K-3102/A緊急停機之后拆檢發(fā)現(xiàn)右一列循環(huán)缸(簡稱右一缸)缸套在排氣閥處被高壓氣體擊穿形成了一個大孔，氣缸缸套在氣缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)了30°，造成十字頭滑履、十字頭銷、連桿大小頭瓦燒壞以及連桿變形損壞等事故。

氣缸缸套在氣缸內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的惡性設(shè)備損壞事故在國內(nèi)壓縮機上十分罕見，國內(nèi)文獻也幾乎檢索不到有關(guān)壓縮機氣缸缸套旋轉(zhuǎn)失效的研究報道。氣缸缸套一旦在氣缸內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)會造成壓縮機損壞，影響生產(chǎn)的順利進行，還可能造成人員傷亡的重大事故。壓縮機氣缸缸套旋轉(zhuǎn)具有隱蔽性、突發(fā)性和不可預(yù)測性，如果沒有相關(guān)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)作為參照，很難及時發(fā)現(xiàn)并采取積極有效的應(yīng)對措施，待發(fā)現(xiàn)機組的聲音、振動和各項參數(shù)出現(xiàn)異常時，事故已經(jīng)發(fā)展到了破壞性階段。筆者對該往復(fù)式壓縮機氣缸缸套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的惡性設(shè)備損壞事故展開分析，找出了氣缸缸套旋轉(zhuǎn)失效的根本原因，總結(jié)出了氣缸缸套旋轉(zhuǎn)失效初期的故障表征現(xiàn)象和應(yīng)對措施，可以為國內(nèi)處理類似往復(fù)式壓縮機故障提供一定的借鑒和參照[1-5]。

1 壓縮機故障概況

2016-03-22T08：30，壓縮機K-3102/A右一缸排氣溫度異常，從62 ℃上升至75 ℃，最高達到98.5 ℃，其余兩列循環(huán)缸排氣溫度變化趨勢正常(圖1)。同時壓縮機循環(huán)氫量從220 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))降至170 000 m3/h，減少了5 000 m3/h(圖2)。DCS趨勢顯示壓縮機機身振動發(fā)生了短暫的異常，08：44控制系統(tǒng)DCS上儀表位號201-VT3301顯示的曲軸箱機身振動值由3.23 mm/s突降至2.21 mm/s，然后又突升至4.03 mm/s，之后一直維持在2.4 mm/s，整個異常時間持續(xù)約2 min，見圖3。DCS趨勢顯示右一缸活塞桿探頭出現(xiàn)較大波動，下沉量最小值0.261 mm，最大值1.72 mm，整個波動持續(xù)約12 min，見圖4。這一過程中現(xiàn)場檢查壓縮機時聽到機組發(fā)出尖銳異響，之后異響聲消除，同時壓縮機曲軸箱呼吸閥處冒出大量白霧[6-9]。

圖1 K-3102/A氣缸排氣溫度變化趨勢

圖2 K-3102/A排氣量變化趨勢

圖3 K-3102/A曲軸箱機身振動變化趨勢

圖4 K-3102/A右一缸活塞桿下沉變化趨勢

緊急切換停機后在拆檢K-3102/A右一缸氣閥過程中發(fā)現(xiàn)，氣缸吸、排氣閥孔被缸套堵塞約95%面積，蓋側(cè)排氣閥孔有金屬破裂現(xiàn)象。進一步拆檢發(fā)現(xiàn)右一缸缸套旋轉(zhuǎn)約30°，缸套排氣孔處被高壓氣體擊穿形成一個大孔。缸體注油管斷裂，十字頭上滑履燒毀嚴重，十字頭銷與小頭瓦存在燒損粘連，連桿上安裝小頭瓦處發(fā)生變形(最大橢圓度為0.40 mm)，導(dǎo)向環(huán)表面嵌入大量金屬碎屑，各填料小室密封面存在明顯變色現(xiàn)象。

2 氣缸缸套旋轉(zhuǎn)失效原因分析

將K-3102/A氣缸整體拆除后制造廠商對缸套進行了測繪，綜合相關(guān)測繪數(shù)據(jù)，分析認為此氣缸內(nèi)徑在設(shè)計制造時存在局部超差，并且氣缸缸套不是全過盈配合，缸套安裝在氣缸內(nèi)形成了3種配合方式，缸套底部為間隙配合，中段位置為過渡配合，上部位置為過盈配合，而上部過盈配合過盈量設(shè)計不足，造成氣缸缸套在長期交變應(yīng)力作用下發(fā)生松動旋轉(zhuǎn)30°。缸套旋轉(zhuǎn)后堵塞了吸氣孔和排氣孔95%的面積，吸氣孔被堵塞后吸氣量不足，造成循環(huán)氫量從220 000 m3/h下降至170 000 m3/h。排氣孔被堵塞后，氣缸內(nèi)不斷被壓縮的高壓氣體無法及時排出導(dǎo)致缸內(nèi)憋壓，使排氣溫度不斷升高，也造成十字頭、連桿大小頭等運動部件過載燒毀。同時，十字頭銷滑履、十字頭銷、連桿大小頭瓦運行中過載溫度過高加熱了曲軸箱內(nèi)的潤滑油，使之受熱汽化在呼吸閥處產(chǎn)生大量白霧噴出。缸內(nèi)憋壓還造成活塞桿劇烈跳動、機身劇烈振動，此時活塞仍在不斷壓縮缸內(nèi)的氣體并持續(xù)加壓，當(dāng)壓力超過了氣缸缸套所能承受的最大強度時，高壓氣體會將氣缸套堵塞的排氣孔部位擊穿，發(fā)出尖銳異響，異響消除后缸內(nèi)高壓氣體從擊穿的排氣孔排出，壓縮機又恢復(fù)了正常的排氣功能，但右一缸已經(jīng)報廢[10-12]。

K-3102/A壓縮機系引進國外技術(shù)制造，但制造商沒有完全掌握該技術(shù)，在氣缸缸套中沒有設(shè)計防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計存在嚴重缺陷。此外，氣缸缸套端面與缸頭壓蓋之間的預(yù)留間隙也不合理，使得缸套松動后靠缸頭壓蓋的預(yù)緊力也可固定住缸套防止其旋轉(zhuǎn)的保護措施失效[13-19]。

3 氣缸缸套旋轉(zhuǎn)失效預(yù)防改進措施

①整體更換K-3102/A壓縮機右一缸，要求設(shè)計制造廠家在設(shè)計缸套時必須采用全過盈配合并確保過盈量充足。必要時考慮設(shè)計防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，提供改造所需的加工工藝。②更換受損的十字頭銷、十字頭滑履和變形燒毀的連桿大小頭瓦，全部更換曲軸箱內(nèi)污染的潤滑油。③逐一打開該機型氣缸，檢查其余缸套的松動情況，排除類似缺陷問題。④要求制造廠家根據(jù)氣缸缸套返廠后的實際測量數(shù)據(jù)，理論計算分析缸套旋轉(zhuǎn)后氣體擊穿缸套的強度及對其他相關(guān)受力元件(如活塞桿等)的影響，從缸套旋轉(zhuǎn)引起的氣體力變化方面對十字頭、連桿及大小頭瓦受損原因進行具體量化分析[20]。

4 氣缸缸套旋轉(zhuǎn)失效初期表征現(xiàn)象

根據(jù)K-3102/A壓縮機氣缸缸套旋轉(zhuǎn)失效現(xiàn)場情況，總結(jié)出了此類故障發(fā)生初期的5個重要表征現(xiàn)象：①機組排氣溫度異常，排氣溫度急劇上升。②機組排氣量明顯減少。③機組機身振動值發(fā)生明顯異常，機身振動值突然上升或下降，來回波動較大，持續(xù)約2 min。④機組活塞桿探頭值波動異常，活塞桿探頭值突然上升或下降，來回波動較大，整個波動持續(xù)約12 min。⑤這一過程中壓縮機會發(fā)出尖銳異響，缸套被擊穿后異響聲消除，同時壓縮機曲軸箱呼吸閥處冒出大量白霧。

5 結(jié)語

往復(fù)式壓縮機氣缸缸套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的惡性設(shè)備事故在國內(nèi)壓縮機運行中十分罕見，沒有類似故障相關(guān)的表征現(xiàn)象作為參考，對此類故障發(fā)生時的現(xiàn)場判斷和應(yīng)急處置經(jīng)驗均不足，機組切換過程中也存在著很大的風(fēng)險和不可控因素。文中分析了壓縮機氣缸缸套旋轉(zhuǎn)失效的原因，提出了預(yù)防改進措施，并總結(jié)了該類故障發(fā)生初期的重要表征現(xiàn)象，可為國內(nèi)同類裝置類似問題的處理提供參考。一旦壓縮機出現(xiàn)這些表征現(xiàn)象，應(yīng)立即緊急停機，最大限度避免設(shè)備故障擴大，保障現(xiàn)場人員人身安全。

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