整體式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)組動(dòng)力缸損壞原因分析及預(yù)防措施

李 強(qiáng)

（中國(guó)石油西南油氣田公司儲(chǔ)氣庫(kù)管理處，重慶渝北401120）

1 引言

在壓縮機(jī)組保養(yǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)D360-4#機(jī)組動(dòng)力Ⅱ缸活塞頭部2道活塞環(huán)斷裂，活塞環(huán)磨損變形，動(dòng)力Ⅱ缸鏡面上死點(diǎn)附近沿整個(gè)圓周方向有不同程度的刮傷，刮痕約寬40～50 mm、深1 mm；D360-2#機(jī)組動(dòng)力Ⅱ缸出現(xiàn)類似現(xiàn)象；D360-3#機(jī)組動(dòng)力Ⅰ缸活塞頭部第二、三、四道活塞環(huán)斷裂，活塞與活塞環(huán)槽里積炭較多，動(dòng)力缸排氣口部分鏡面出現(xiàn)3處脫落現(xiàn)象，第1處為三角形，最寬處約為30 mm、長(zhǎng)約50 mm、深約1 mm；第2處長(zhǎng)方形，寬約30 mm、長(zhǎng)約50 mm、深約1 mm；第3處也是長(zhǎng)方形，寬約10 mm、長(zhǎng)約50 mm、深約5 mm。經(jīng)廠家專業(yè)人員鑒定，3臺(tái)機(jī)組動(dòng)力缸已不能再使用，只能更換新的動(dòng)力缸。

2 動(dòng)力缸損壞原因分析

2.1 動(dòng)力活塞環(huán)斷裂，斷裂后刮傷動(dòng)力缸

動(dòng)力活塞環(huán)是整體式天然氣壓縮機(jī)中發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，它的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、空燃比和氣缸的潤(rùn)滑質(zhì)量，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和使用壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，如果動(dòng)力活塞環(huán)斷裂，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將造成動(dòng)力缸被斷裂的活塞環(huán)（活塞環(huán)為合金鑄鐵制成）刮傷。

圖1 動(dòng)力活塞組件示意圖

2.1.1 動(dòng)力活塞環(huán)密封原理

整體式天然氣壓縮機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)共有4道活塞環(huán)，活塞頭部3道環(huán)是用來(lái)密封缸頭端燃燒室，裙部一道活塞環(huán)用來(lái)密封曲柄端掃氣室，且每道環(huán)靠受力端都有一個(gè)倒角，便于均布?xì)飧诐?rùn)滑油，見(jiàn)圖1。

活塞密封環(huán)是用來(lái)密封氣缸，使活塞體與氣缸兩端形成燃燒室和掃氣室，并幫助氣缸散熱，同時(shí)控制氣缸的潤(rùn)滑，使氣缸潤(rùn)滑油均勻。

當(dāng)活塞密封環(huán)裝入氣缸后，由于活塞環(huán)的彈性張力，對(duì)氣缸內(nèi)壁有預(yù)緊力，使活塞環(huán)緊貼在氣缸內(nèi)壁上，活塞環(huán)的上部受到燃燒室工作壓力的作用，被壓向靠掃氣室一側(cè)緊貼在環(huán)槽側(cè)壁上，活塞環(huán)內(nèi)圓表面與環(huán)槽底部之間的間隙處，有一個(gè)相近工作壓力的作用，活塞環(huán)兩邊的壓差，再加上活塞環(huán)的彈性張力，使活塞環(huán)緊貼在氣缸壁上達(dá)到密封作用。

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)動(dòng)力活塞環(huán)損壞的原因

（1） 活塞環(huán)開(kāi)口間隙大小，直接影響活塞環(huán)的工作效果，間隙過(guò)大，泄漏量增大，開(kāi)口間隙過(guò)小，因活塞環(huán)受熱膨脹產(chǎn)生強(qiáng)制與氣缸摩擦，降低氣缸的潤(rùn)滑效果，加速活塞環(huán)的磨損，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生折斷現(xiàn)象或刮傷氣缸鏡面。

（2） 活塞環(huán)環(huán)槽側(cè)面間隙過(guò)大，引起活塞環(huán)在槽內(nèi)顫動(dòng)，活塞環(huán)可能因振動(dòng)而斷裂，并且影響活塞環(huán)的密封效果。

（3） 活塞環(huán)槽積炭過(guò)多，使活塞環(huán)卡阻，失去靈活性?；钊h(huán)受到高溫高壓交變作用力而斷裂。進(jìn)入動(dòng)力缸潤(rùn)滑油量過(guò)多，活塞桿刮油環(huán)漏油，空氣濾清器堵塞，在掃氣室與曲軸箱之間產(chǎn)生過(guò)大的壓差，導(dǎo)致曲軸箱潤(rùn)滑油從動(dòng)力刮油密封組件及活塞桿竄入掃氣室，這些都是造成積炭過(guò)多的原因。

圖2 動(dòng)力缸蓋上的積炭

（4）燃料氣中H2S含量高，帶液及凝析油進(jìn)入缸內(nèi)，加劇積炭形成，導(dǎo)致活塞環(huán)斷裂。

（5）活塞環(huán)因質(zhì)量差或注油量不夠，使氣缸潤(rùn)滑不良，造成氣缸壁與活塞環(huán)溫度過(guò)高，形成咬死現(xiàn)象。

（6）活塞環(huán)與氣缸壁磨損超限，使活塞環(huán)開(kāi)口間隙過(guò)大，活塞環(huán)不易與氣缸壁緊貼，引起活塞環(huán)顫動(dòng)而斷裂。

（7）點(diǎn)火提前角超前，發(fā)動(dòng)機(jī)因峰值壓力過(guò)高導(dǎo)致活塞環(huán)斷裂、機(jī)組死點(diǎn)位置振動(dòng)過(guò)大。

（8） 潤(rùn)滑油質(zhì)量問(wèn)題，潤(rùn)滑油中的硫酸灰份的含量高低是形成積炭的首要因素，動(dòng)力缸使用凈化氣要求潤(rùn)滑油品中的硫酸灰份不大于0.1%，機(jī)組使用的潤(rùn)滑油硫酸灰份大于0.1%。

（9） 由于活塞環(huán)材質(zhì)或加工質(zhì)量差，活塞環(huán)受高溫高壓交變負(fù)荷作用，失去彈性、變形疲勞折斷。

2.1.3 產(chǎn)生危害

（1） 由于動(dòng)力活塞環(huán)的倒角存在問(wèn)題，造成動(dòng)力缸積炭過(guò)多，見(jiàn)圖2。

動(dòng)力活塞環(huán)除密封缸內(nèi)氣體外，還起到幫助活塞體散熱和控制氣缸壁潤(rùn)滑的作用?；钊h(huán)采用合金鑄鐵制成，其外圓略帶錐形（45°），容易與氣缸壁磨合并均布潤(rùn)滑油，控制油量，提高活塞環(huán)的密封性。如果環(huán)外圓表面角度太小，當(dāng)活塞朝下死點(diǎn)方向運(yùn)行時(shí)，活塞環(huán)的刮油效果差，過(guò)量的潤(rùn)滑油在動(dòng)力缸內(nèi)，容易產(chǎn)生積炭，積炭會(huì)產(chǎn)生以下危害：

（a）沉積在活塞頂部及氣缸蓋中，使燃燒室的容積減小，影響發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比；

（b） 積炭的導(dǎo)熱性差，不利氣缸的散熱，影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率；

（c） 積炭形成的高溫顆粒，造成燃料提前點(diǎn)火，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低；

（d） 火花塞電極間積炭，使火花塞短路或點(diǎn)火火花變?nèi)酰拱l(fā)動(dòng)機(jī)功率下降；

（e） 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口積炭過(guò)多，使排氣溫度升高；

（f）積炭脫落形成磨料，使摩擦表面之間遭到機(jī)械性的磨損；

（g） 在進(jìn)氣口形成積炭，減少了進(jìn)氣通道斷面，影響進(jìn)氣量，造成燃料混合比不當(dāng)；

（h） 活塞環(huán)與環(huán)槽之間的積炭，使間隙減少，使活塞環(huán)產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象，使活塞環(huán)失去密封作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成活塞環(huán)斷裂。

（2）活塞環(huán)安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致活塞環(huán)的損壞。

活塞環(huán)正確安裝是，有倒角一端朝向受力。各道活塞環(huán)開(kāi)口應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)，并且活塞環(huán)開(kāi)口不能正對(duì)進(jìn)排氣口。如果安裝錯(cuò)誤會(huì)大大降低活塞環(huán)的使用壽命。

圖3 斷裂的活塞環(huán)

圖4 活塞環(huán)斷面

圖5 刮傷的動(dòng)力缸鏡面（D360-4#機(jī)組）

圖6 動(dòng)力缸鏡面涂層脫落（Z265-6#機(jī)組）

（3）由于質(zhì)量問(wèn)題活塞環(huán)在氣缸內(nèi)斷裂的現(xiàn)象也比較嚴(yán)重，對(duì)氣缸壁產(chǎn)生一定損傷，見(jiàn)圖3、4。

維修人員按月保要求對(duì)D360-4#機(jī)組進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，在檢查動(dòng)力缸中體部分時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩動(dòng)力缸刮油環(huán)檔板損壞，針對(duì)這一現(xiàn)狀，決定拆開(kāi)動(dòng)力活塞對(duì)整個(gè)動(dòng)力部分進(jìn)行全面檢查。拆下動(dòng)力活塞，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力Ⅱ缸活塞頭部2道活塞環(huán)已斷裂，活塞環(huán)已磨損變形，動(dòng)力Ⅱ缸鏡面上死點(diǎn)附近沿整個(gè)圓周方向有不同程度的刮傷，刮痕寬40～50 mm寬、深1 mm。分析造成動(dòng)力缸鏡面刮傷原因在于：機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，由于動(dòng)力Ⅱ缸第一、第二道活塞環(huán)斷裂，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成動(dòng)力缸被斷裂的活塞環(huán)（活塞環(huán)為合金鑄鐵制成）刮傷，見(jiàn)圖5。

2.2 壓縮機(jī)負(fù)荷低

機(jī)組長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率僅為額定負(fù)荷的32%～77%。長(zhǎng)期的低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)動(dòng)力缸的損傷相當(dāng)嚴(yán)重。目前D360-2#、3#、4#三臺(tái)機(jī)組相繼出現(xiàn)動(dòng)力缸損壞，Z265-6#機(jī)組動(dòng)力Ⅰ缸左側(cè)缸頭端鏡面有一個(gè)10 mm2涂層脫落（圖6），另外還有2臺(tái)機(jī)組動(dòng)力缸出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象；有大部分機(jī)組動(dòng)力缸的端部圓周方向，都有不同程度的較圓滑的斜面，說(shuō)明氣缸存在橢圓現(xiàn)象，但不嚴(yán)重。圖7為D360-3#機(jī)組動(dòng)力Ⅰ缸及活塞損壞情況，損壞程度相當(dāng)嚴(yán)重。

2.3 裝配問(wèn)題

由于D360機(jī)組是進(jìn)口壓縮機(jī)零部件來(lái)組裝的，當(dāng)時(shí)的裝配、檢測(cè)手段有限，導(dǎo)致機(jī)組安裝使用后，動(dòng)力缸、活塞環(huán)、十字頭、銅套、中間軸瓦、連桿大瓦等發(fā)生故障較多，動(dòng)力缸與機(jī)身連接螺栓斷裂比較頻繁。

圖7 損傷的動(dòng)力缸鏡面及斷裂的活塞環(huán)（D360-3#機(jī)組）

3 防止動(dòng)力缸損壞的技術(shù)管理

（1） 強(qiáng)化壓縮機(jī)組檢修環(huán)節(jié)的管理。動(dòng)力活塞環(huán)、填料等所有更換件在安裝過(guò)程中都必須通過(guò)技術(shù)參數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)合格才能使用，檢測(cè)數(shù)據(jù)存入設(shè)備檢修檔案；檢修作業(yè)應(yīng)實(shí)施過(guò)程控制，嚴(yán)格按照技術(shù)要求，對(duì)動(dòng)力活塞環(huán)槽等關(guān)鍵部分的積炭、毛刺及掃氣室清理等環(huán)節(jié)作徹底清除，避免表面缺陷；拆檢過(guò)程應(yīng)就過(guò)多積炭等異?，F(xiàn)象查找原因，強(qiáng)化相關(guān)環(huán)節(jié)的管理。

（2）加強(qiáng)空氣進(jìn)氣系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)。防止曲軸箱潤(rùn)滑油從動(dòng)力刮油密封組件及活塞桿竄入掃氣室，引起動(dòng)力缸過(guò)早過(guò)多積炭；空濾器濾網(wǎng)過(guò)濾效果較差的應(yīng)適時(shí)更新，避免空氣中的硬質(zhì)顆粒進(jìn)入動(dòng)力缸。

（3）點(diǎn)火角度的檢查，在檢修過(guò)程中應(yīng)按照技術(shù)要求檢查發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火角度，避免點(diǎn)火角度超前或延后，防止發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，防止發(fā)動(dòng)機(jī)因峰值壓力過(guò)高導(dǎo)致活塞環(huán)斷裂、機(jī)組死點(diǎn)位置振動(dòng)過(guò)大。

（4） 加強(qiáng)燃料氣分離器排污及過(guò)濾網(wǎng)壓差監(jiān)控，防止燃料氣帶液及凝析油進(jìn)入缸內(nèi)，加劇積炭的形成。

（5） 加強(qiáng)潤(rùn)滑油使用管理，防止過(guò)多潤(rùn)滑油進(jìn)入動(dòng)力缸，動(dòng)力缸潤(rùn)滑點(diǎn)注油量為2~3滴/沖程；壓縮缸、填料潤(rùn)滑點(diǎn)注油量為3~4滴/沖程，填料油量根據(jù)密封情況調(diào)整，壓縮缸油量根據(jù)氣質(zhì)參數(shù)調(diào)整；使用潤(rùn)滑油分配器的機(jī)組無(wú)油流監(jiān)視器應(yīng)在20～30 s時(shí)間段內(nèi)指示燈閃爍一次。防止受污染或變質(zhì)潤(rùn)滑油進(jìn)入動(dòng)力缸。在潤(rùn)滑油選取上，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有潤(rùn)滑油的使用情況，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油硫酸鹽灰份小于0.1%的低灰份、最小閃點(diǎn)204℃、最小傾點(diǎn)-12℃等的技術(shù)要求，綜合考慮使用現(xiàn)場(chǎng)H2S含量來(lái)確定總堿值，環(huán)境溫度及運(yùn)行溫度確定潤(rùn)滑油的粘度等級(jí)、高溫粘度指數(shù)、低溫流動(dòng)性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化和抗腐蝕性能，以減少殘?zhí)考盎曳荻逊e。

（6） 動(dòng)力缸工作狀況方面：嚴(yán)禁機(jī)組超溫、超壓、超速、超負(fù)荷工作。

（7） 保證機(jī)組冷卻系統(tǒng)運(yùn)行良好，嚴(yán)禁機(jī)組缺水或造成冷卻水死循環(huán)。

4 建議

（1） D360-2#、4#由于動(dòng)力缸鏡面脫落而更換，D360-3#也出現(xiàn)類似故障。因此在以后的生產(chǎn)過(guò)程中，不排除其它機(jī)組會(huì)發(fā)生類似的動(dòng)力缸損壞，建議組織對(duì)壓縮機(jī)的動(dòng)力缸鏡面磨損情況進(jìn)行檢測(cè)，視具體情況采取一定的措施，防止動(dòng)力缸的損壞；

（2） 壓縮機(jī)組要合理運(yùn)行，建議對(duì)其進(jìn)行適應(yīng)性改造，將只能進(jìn)行一級(jí)壓縮的機(jī)組改為既可一級(jí)壓縮也可兩級(jí)壓縮；

（3）對(duì)D360按深度大修理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整機(jī)檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)不符合標(biāo)準(zhǔn)的，建議進(jìn)行報(bào)廢處理；

（4）機(jī)組使用的潤(rùn)滑油，硫酸灰份大于0.1%，不符合技術(shù)要求，建議使用合適的潤(rùn)滑油（硫酸灰份小于0.1%）；

（5）由于國(guó)產(chǎn)動(dòng)力活塞環(huán)、刮油環(huán)質(zhì)量存在問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)使用中易損壞，建議使用進(jìn)口活塞環(huán)、刮油環(huán)；

（6）目前現(xiàn)場(chǎng)所用潤(rùn)滑油分析儀只能對(duì)水與雜質(zhì)進(jìn)行定性分析，建議由專業(yè)單位檢測(cè)潤(rùn)滑油質(zhì)，避免變質(zhì)的潤(rùn)滑油對(duì)機(jī)組造成危害；

（7）配備必要的故障檢測(cè)工具。