低壓甲醇原料氣壓縮機故障的原因分析與改進

謝 毅，劉利軍，吳盛洪

(浙江晉巨化工有限公司，浙江衢州 324004)

1 背景介紹

浙江晉巨化工有限公司(以下簡稱晉巨化工)低壓甲醇裝置配有3臺低壓甲醇原料氣壓縮機(以下簡稱醇壓機)，為六列五級往復(fù)活塞式壓縮機，型號6M32- 283/54- BX，M型臥式對動平衡布置、級間水冷、壓力循環(huán)潤滑、氣缸無油設(shè)計少油潤滑、直流電機直聯(lián)拖動，軸功率2 668 kW，電機功率2 900 kW，最大設(shè)計活塞力257 kN。

工藝路線為：從氣柜來半水煤氣，經(jīng)三級壓縮后送入凈化系統(tǒng)調(diào)整氣體成分，再返回經(jīng)五級壓縮后送入合成工序[1]。

該機型在21世紀(jì)初由沈陽氣體壓縮機公司引進德國Borsig公司和瑞士Areco公司技術(shù)設(shè)計制造，2002年建成投用至今14年，基本能滿足生產(chǎn)，但各類故障頻發(fā)，經(jīng)不斷攻關(guān)改進，仍存在活塞桿斷裂、連桿螺栓斷裂(以下簡稱“兩斷”)等潛在危害極大的設(shè)備故障，不利于安全生產(chǎn)，已被列為公司級重大隱患。

大型往復(fù)活塞式壓縮機的活塞桿、連桿螺栓、連桿、曲軸等，屬于極端重要的零部件，一旦失效，可能帶來巨大損失甚至人身傷亡[2-3]。2007年5月 23日，1#醇壓機三段連桿螺栓斷裂，打破機身、著火；2010年8月31日，1#醇壓機二段活塞桿斷裂；2010年9月1日，2#醇壓機一段活塞桿斷裂；2010年9月21日，1#醇壓機二段活塞桿又?jǐn)嗔眩?2 d內(nèi)連續(xù)斷裂3根活塞桿。醇壓機已發(fā)生的各類故障中，“兩斷”故障最為惡劣，3臺醇壓機發(fā)生的多次斷裂均是突發(fā)斷裂，所幸每次都處置及時，事態(tài)未進一步擴大，也未傷及人員；另外，還多次發(fā)生鋁活塞破裂、曲軸出現(xiàn)裂紋等較大設(shè)備故障和隱患。

2 故障表現(xiàn)及原因分析

2.1 各類故障統(tǒng)計和規(guī)律

(1) 醇壓機故障率很高，年均檢修90～120次。

(2) 大部分故障發(fā)生在一、二、三級，四、五級相對較少。

(3) 活塞桿斷裂統(tǒng)計：一級3次，二級9次，三級5次。

(4) 斷裂部位：與十字頭相連接的最細(xì)處 8次，尾端活塞鎖緊螺紋部位6次，Ф 95 mm桿身3次。

(5) 連桿螺栓斷裂統(tǒng)計：二級3次，三級1次，2臺醇壓機發(fā)生過斷裂。

2.2 故障主要原因

從故障統(tǒng)計看，各類故障集中在一、二、三級，二、三級尤甚。主要是原始設(shè)計有缺陷：①各級活塞力極不均衡，運轉(zhuǎn)時引起機身扭振；②二、三級氣體力超過了最大設(shè)計活塞力。

用專業(yè)軟件核算實際工況下的氣體力：1級166 kN，2級294 kN，3級286 kN，4級120 kN，5級 100 kN。由此可見，在實際工況下二、三級氣體力已超過設(shè)計綜合活塞力257 kN，這是活塞桿斷裂、連桿螺栓斷裂的主要原因。

2.3 故障其他原因

(1) 機身分段對接，機身單薄，主軸瓦座同心度偏差大，極易造成振動值偏高。

(2) 轉(zhuǎn)速偏高(375 r/min)，軸頸偏細(xì)(主軸長度為4 855 mm，而直徑只有Φ240 mm)。

(3) 氣源不夠潔凈，極易堵塞氣閥及氣道，引起支撐環(huán)過早磨損，從而產(chǎn)生附加載荷，使得原本超標(biāo)的活塞力更大。

3 改進措施

3.1 防“兩斷”改造

(1) 將全部連桿螺栓加粗，由原來M 42 mm加粗至M 52 mm，受結(jié)構(gòu)限制，連桿也須隨之加大。根據(jù)載荷形式合理設(shè)計出連桿的截面結(jié)構(gòu)形式，使得新連桿在能夠承受高載荷的同時不增加連桿的質(zhì)量。

(2) 二、三級活塞桿由6M32型改為6M40型，活塞桿最小處直徑由原來的Ф 42 mm擴大至Ф 51 mm，活塞桿材質(zhì)由42CrMoE改成國內(nèi)生產(chǎn)工藝更加成熟的40CrNiMoA，以防止活塞桿斷裂。

(3) 一、二、三級氣閥采用防污氣閥，該防污氣閥有別于以往傳統(tǒng)氣閥，密封面涂有特制防污涂層，能有效防止氣閥積污嚴(yán)重發(fā)生堵塞情況，保持氣道暢通，避免因氣道不暢而造成活塞力的擴大。

(4) 一、二、三級支撐環(huán)由半圓式改成整圈，原支撐環(huán)為半圈型式，活塞運轉(zhuǎn)過程中易發(fā)生徑向跳動，造成支撐環(huán)磨損較快?，F(xiàn)將半圈改為整圈型式，很大程度上避免了因支撐環(huán)在氣缸內(nèi)徑向間隙的不均而造成的跳動，減少了缸體振動，延長了設(shè)備運轉(zhuǎn)周期。

(5) 一級南北進口緩沖器增加連通管：在一級南北缸進口緩沖器上增加DN 450 mm連通管，并在連通管上安裝膨脹節(jié)，以減少流動阻力，平衡南北缸進口壓力，在一定程度上減小一級南北缸活塞力不均衡現(xiàn)象。

(6) 加強現(xiàn)場振動監(jiān)控，增設(shè)聲光報警設(shè)施：①在壓縮機DCS操作室，單獨設(shè)1臺電腦，在線監(jiān)控和記錄3臺醇壓機振動值，能以曲線和數(shù)值顯示，能追溯當(dāng)前1個月內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)；②振動傳感器安裝位置和類型，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將2個加速度傳感器安裝在每臺機身二、三級的水平方位(如圖1所示測點1和測點2)，振動值采用速度值(mm/s)，便于故障分析。

圖1 振動傳感器安裝位置示意

(7) 設(shè)定振動報警值：當(dāng)發(fā)生活塞桿斷裂、連桿螺栓斷裂、撞缸等故障時，會引起機身強烈振動(其值應(yīng)遠(yuǎn)高于正常工況)，根據(jù)測定和經(jīng)驗值，設(shè)定超標(biāo)值為6 mm/s(門限報警)、危險值為9 mm/s(突變報警)。

(8) 報警方式為聲光報警，設(shè)置在操作室：①操作室光報警，與操作室內(nèi)現(xiàn)有3臺機的緊停

按鈕一對一設(shè)置報警燈，使在緊停時不易按錯；②操作室聲報警，各設(shè)1個自動紅光報警裝置。

(9) 選用合適備件材質(zhì)和確定檢修參數(shù)指標(biāo)：將原醇壓機連桿大頭瓦材質(zhì)由巴氏合金改為鎂鋁合金，并在檢修過程中將瓦的間隙控制在公差下限值附近，并在使用過程中提高油壓至高限。

(10) 規(guī)范計劃性檢修：根據(jù)檢修規(guī)程和檢修檔案，二級、三級活塞桿及連桿螺栓運轉(zhuǎn)滿1年必須進行更換。

3.2 醇壓機吸氣量的控制

經(jīng)核算和專業(yè)廠家建議，將單機吸氣量由原先的15 000～16 000 m3/h(標(biāo)態(tài))調(diào)整至≤15 050 m3/h(標(biāo)態(tài))，此時活塞力和軸功率處于理論安全范圍內(nèi)。

4 改造效果

(1) 自2015年所有改造項目結(jié)束后，各類設(shè)備故障率降低至70次左右，設(shè)備運行至今未發(fā)生“兩斷”事故。

(2) 2015年7月，聲光報警裝置檢測到3#醇壓機二段振動值達16 mm/s，拆檢后發(fā)現(xiàn)活塞緊固螺母松動，避免一次事故發(fā)生。

(3) 設(shè)備運轉(zhuǎn)率由原平均60%提高至現(xiàn)在的66%以上，3臺設(shè)備2開1備，運轉(zhuǎn)率最高66.67%。

(4) 通過一系列消缺技改工作，節(jié)省了設(shè)備檢修費用，減輕了檢修人員的工作負(fù)擔(dān)，保證了設(shè)備長周期有效運行，為安全生產(chǎn)提供了有力保證，對降本增效有著較為顯著作用。

[1] 郁永章.活塞式壓縮機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2] 趙代勝.煤基甲醇制烯烴項目中合成氣制甲醇裝置的改造方案[J].煤化工，2016，44(3)：24- 27.

[3] 魏偉.原料氣壓縮機驅(qū)動透平振動原因的分析和處理[J].化肥工業(yè)，2012，39(3)：56- 57.