進(jìn)口煤層氣壓縮機(jī)關(guān)鍵配件國(guó)產(chǎn)化研究應(yīng)用

高德占 張 慧 王 暉 霍洪濤 黃政華 馬翔宇

(1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田煤層氣成莊作業(yè)分公司，山西 048000)

1 主要配件故障分析

往復(fù)式煤層氣壓縮機(jī)組主要由壓縮機(jī)機(jī)體、電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、工藝氣管路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、空冷器、高位油箱部件、電加熱器部件、底座等部件組成。壓縮機(jī)主機(jī)為對(duì)稱H型對(duì)稱平衡活塞式，主要由機(jī)體、十字頭滑道體、氣缸、氣閥、曲軸、連桿、十字頭、活塞、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。兩列汽缸頭端設(shè)置有可調(diào)余隙容積缸，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)排氣量。

煤層氣壓縮機(jī)入口平均進(jìn)氣壓力為0.025MPa,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)最低進(jìn)氣壓力0.05MPa，壓縮機(jī)的容積流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，實(shí)際運(yùn)行壓力比高于設(shè)計(jì)壓力比；煤層氣較天然氣所含粉塵雜質(zhì)量大，盡管在后續(xù)工藝流程上增加了過(guò)濾分離器，但是低于1μm的粉煤灰雜質(zhì)難以捕捉，壓縮機(jī)在使用過(guò)程中頻繁出現(xiàn)氣閥、活塞組件為主的故障，嚴(yán)重影響煤層氣的平穩(wěn)外輸，增加了維修量及維修成本。

1.1 氣閥組件故障

氣閥工作性能直接影響壓縮機(jī)氣缸的工作效率，單臺(tái)壓縮機(jī)各級(jí)排氣溫度偏高，氣閥頻繁損壞，尤其是一級(jí)排氣閥每月平均損壞 2.6次，氣閥的運(yùn)行壽命低。經(jīng)查，發(fā)現(xiàn)80%以上氣閥閥片產(chǎn)生徑向裂紋或斷裂和磨損，對(duì)徑向斷裂的閥片有的在斷裂處還出現(xiàn)有小面積表面塊狀剝落,在閥片內(nèi)外圈的密封口處都留有明顯的磨損痕跡，氣閥彈簧斷裂或閥彈簧松弛變形。主要原因是，進(jìn)氣量低進(jìn)氣壓力不足導(dǎo)致氣閥開(kāi)閉阻力增大，閥簧剛性小，閥片開(kāi)啟時(shí)緩沖不夠，關(guān)閉過(guò)程中出現(xiàn)顫振或延遲關(guān)閉，閥片升程限制器及閥座受到交變沖擊載荷作用，閥片啟閉時(shí)所受沖擊大，閥片撞擊次數(shù)多易損壞。

1.2 活塞組件故障

在壓縮機(jī)中，活塞與氣缸構(gòu)成了壓縮容積，是煤層氣增壓的關(guān)鍵部件。壓縮機(jī)活塞、缸套組件平均使用壽命不足8000小時(shí)，活塞環(huán)槽磨損量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值一倍以上，氣缸壁光潔度變差，出現(xiàn)深淺不一的磨痕，活塞環(huán)斷裂，活塞環(huán)平均使用壽命不超過(guò)4000小時(shí)，主要原因是進(jìn)氣壓力不足，低于1μm的粉煤灰雜質(zhì)的存在加劇了活塞組件的磨損。

2 配件國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用

2.1 活塞組件

在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上煤層氣壓縮機(jī)活塞側(cè)重要求：①有足夠的強(qiáng)度和剛度，耐磨性好，可以存在少量煤灰；②活塞與缸套有與現(xiàn)場(chǎng)工況匹配的最佳配合間隙，活塞膨脹系數(shù)小；③對(duì)于對(duì)稱平衡式兩級(jí)壓縮的壓縮機(jī)，活塞重量嚴(yán)格執(zhí)行API618標(biāo)準(zhǔn)要求；④制造工藝性好，避免應(yīng)力集中。

利用從該進(jìn)口壓縮機(jī)中更換下來(lái)的廢舊21″活塞組件作為研究對(duì)象，該活塞為雙作用組合結(jié)構(gòu)活塞。首先進(jìn)行了材質(zhì)分析，通過(guò)晶相分析，獲得其密度為2.8g/cm3,其化學(xué)組分百分比見(jiàn)表1。

表1 原裝活塞材質(zhì)組成占比

經(jīng)過(guò)分析選用鋁合金6061，使國(guó)產(chǎn)化的活塞的重量、抗腐蝕性等與進(jìn)口活塞一致。進(jìn)口活塞的非加工面的光潔度高，機(jī)加工表面氣孔率低。選用低壓鑄造工藝。為預(yù)防成品活塞變形并提高活塞的加工性，需對(duì)毛坯進(jìn)行了時(shí)效處理，至毛坯達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)后，再對(duì)毛坯進(jìn)行后續(xù)加工?；钊庸み^(guò)程中的精加工和比較重要的加工工序采用數(shù)控機(jī)床，以提高活塞精度。因低壓鑄造常常會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾渣、收縮等將會(huì)對(duì)活塞功能產(chǎn)生致命影響的缺陷，需對(duì)毛坯進(jìn)行了探傷檢驗(yàn)，確認(rèn)活塞毛坯的致密度一致。經(jīng)查閱API618標(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)口零件手冊(cè)，并在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了主要參數(shù)(表2)。

表2 活塞主要參數(shù)對(duì)比

通過(guò)高效連續(xù)時(shí)效熱處理爐，采用了國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的直接淬火+時(shí)效的熱處理方式對(duì)活塞表面進(jìn)行熱處理，該方式對(duì)淬火用水溫、工人技能、工藝執(zhí)行力要求較為嚴(yán)格，去除了活塞固溶過(guò)程，節(jié)約了固溶加熱的能源消耗，減少了工序周轉(zhuǎn)次數(shù)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)對(duì)活塞的表面進(jìn)行了陽(yáng)極化處理，經(jīng)測(cè)量，進(jìn)口活塞外表面的硬度約為HV390。因此，對(duì)成品活塞進(jìn)行表面陽(yáng)極化處理；重點(diǎn)控制介質(zhì)溫度、電流密度、氧化時(shí)間等參數(shù)，使得成品活塞的表面硬度保持在HV400左右，以提高其耐磨性、耐腐蝕性和其疲勞強(qiáng)度。

為更好的保證活塞使用效果，設(shè)計(jì)定制專用活塞環(huán)提高活塞使用壽命，根據(jù)煤層氣壓縮機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行工況，以及預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間的運(yùn)行工況，計(jì)算出煤層氣壓縮機(jī)在夏季氣溫下的各級(jí)排溫不高于120℃。取安全裕度25%，則需要該材質(zhì)能在150℃的工作環(huán)境下可靠運(yùn)行。材質(zhì)較低的熱膨脹系數(shù)，可以使得其在常溫下保持較小的裝配間隙，因此，選材的熱膨脹系數(shù)越小越好。結(jié)合上述分析，選用PTFE作為煤層氣壓縮機(jī)活塞環(huán)的材料，其工作溫度為-180～250℃，縱向熱膨脹系數(shù)11.2×10-5/℃，橫向熱膨脹系數(shù)為6.8×10-5/℃。活塞環(huán)選用模壓法整環(huán)成型，充分考慮到PTFE的鑄造收縮率，控制成品的尺寸和外觀，并保證活塞環(huán)的表面粗糙度；切口采用的斜切口形式，通過(guò)機(jī)加工切割成兩半，并在切割過(guò)程中對(duì)活塞環(huán)的開(kāi)口間隙尺寸進(jìn)行控制。

2.2 氣閥組件

在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)煤層氣壓縮機(jī)氣閥進(jìn)行了改進(jìn)，限制氣閥壽命的主要因素是閥片及彈簧質(zhì)量。

① 按實(shí)際工況重新對(duì)閥彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)彈簧剛度、彈簧力都進(jìn)行了調(diào)整,使改進(jìn)后閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律趨于合理，阻力損失小，氣閥關(guān)閉及時(shí)、迅速,關(guān)閉時(shí)不漏氣。

② 加強(qiáng)閥片、彈簧的質(zhì)量。彈簧材質(zhì)選用碳素彈簧鋼，對(duì)彈簧進(jìn)行表面強(qiáng)化和松弛處理；閥片材料選用中溫尼龍，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐磨、耐腐蝕、耐高溫性能，提高彈簧、閥片的疲勞壽命；

③ 加強(qiáng)工藝管理,氣閥總成加工工藝采用整體沖鍛替代鑄造，提升了耐磨性能，嚴(yán)格控制溫度、壓力指標(biāo),穩(wěn)定工況。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

成品國(guó)產(chǎn)化配件經(jīng)過(guò)出廠檢驗(yàn)，對(duì)壓縮機(jī)活塞的配重進(jìn)行了復(fù)核，發(fā)現(xiàn)該列活塞組件、十字頭及連桿的重量之和，與之相對(duì)列的重量差僅為170g，完全滿足了原進(jìn)口廠家規(guī)定的配重重量差不大于453g的技術(shù)要求，同時(shí)測(cè)量了該活塞與活塞環(huán)的配合間隙，活塞與氣缸的配合間隙，活塞裝配后的內(nèi)外死點(diǎn)的壓縮余隙，完全符合了API618標(biāo)準(zhǔn)。確保滿足設(shè)計(jì)要求后，將其試裝到進(jìn)口壓縮機(jī)上。壓縮機(jī)組經(jīng)歷了1分鐘、10分鐘、30分鐘間歇空載試機(jī)及72小時(shí)的負(fù)載試機(jī)，壓縮機(jī)油壓、油溫等參數(shù)無(wú)異常，排氣溫度、排氣壓力，壓縮機(jī)振動(dòng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)得到改善(圖1，2)。

圖1 更換前后壓縮機(jī)排溫、排壓對(duì)比

圖2 更換前后振動(dòng)值對(duì)比

壓縮機(jī)組持續(xù)運(yùn)行2000小時(shí)、4000小時(shí)，機(jī)組運(yùn)行情況及各項(xiàng)參數(shù)正常，同時(shí)對(duì)國(guó)產(chǎn)化配件進(jìn)行了拆解，檢查相關(guān)尺寸參數(shù)，經(jīng)歷負(fù)載工作后，國(guó)產(chǎn)化配件未發(fā)生任何異常磨損現(xiàn)象，全部檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與裝配時(shí)的尺寸參數(shù)基本一致，無(wú)現(xiàn)場(chǎng)故障發(fā)生，一級(jí)排氣閥每月平均損壞降低為0.8次。