尾氣壓縮機(jī)活塞環(huán)異常磨損原因分析及對(duì)策

楊阿鵬

（中石化巴陵石化分公司，湖南岳陽(yáng) 414014）

0 引言

某環(huán)己酮裝置氧化工段尾氣壓縮機(jī)，承擔(dān)著回收裝置尾氣有機(jī)物、降低物料消耗的重要作用。具體流程為：各單元尾氣經(jīng)循環(huán)水、低溫水冷卻后，尾氣中環(huán)己烷等有機(jī)物冷凝下料至各工序物料槽，剩余不凝氣進(jìn)入尾氣壓縮機(jī)，經(jīng)過三級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻、冷凝液回收，再進(jìn)入尾氣吸收塔進(jìn)一步回收尾氣中的環(huán)己烷。

尾氣壓縮機(jī)型號(hào)為ZW-21/15，立式三級(jí)三缸、雙作用往復(fù)式壓縮機(jī)，氣缸為無油潤(rùn)滑，活塞環(huán)材質(zhì)為填充玻纖的聚四氟乙烯。正常運(yùn)行尾氣入口壓力為2～3 kPa（未特別說明均為表壓），一級(jí)排氣壓力0.15～0.18 MPa，二級(jí)排氣壓力0.55～0.6 MPa，三級(jí)排氣壓力1.15 MPa，設(shè)計(jì)流量為1260 Nm3/h。

1 問題

該機(jī)組投用早期，活塞環(huán)使用壽命尚可，三級(jí)活塞環(huán)基本可實(shí)現(xiàn)一年一修。2016年后機(jī)組運(yùn)行狀況逐漸劣化，三級(jí)活塞環(huán)使用壽命平均只有3～4 個(gè)月，最短只有20 d；一二級(jí)活塞環(huán)使用壽命也有所下降，但仍可達(dá)到一年一修的要求。

頻繁的檢修不但增加了維修費(fèi)用，因無備機(jī)，機(jī)組檢修時(shí)尾氣只能排向火炬，造成了物料損失和環(huán)保負(fù)面影響。因此有必要針對(duì)故障開展研究分析，制定對(duì)策。

2 原因分析

2.1 初步分析

對(duì)近三次三級(jí)活塞環(huán)損壞樣品進(jìn)行分析，外觀基本類似，為局部偏磨導(dǎo)致活塞環(huán)斷裂（圖1），且另一側(cè)磨損程度明顯較輕?；钊h(huán)磨損斷裂位置有一定方向性，主要分布在靠近三級(jí)吸氣閥側(cè)60°范圍內(nèi)。

圖1 活塞環(huán)磨損失效

根據(jù)填充聚四氟乙烯活塞環(huán)特點(diǎn)，不考慮活塞環(huán)自身質(zhì)量問題（投用以來一直使用原廠家配件），異常磨損常見原因有：

（1）氣缸鏡面粗糙度差。

（2）活塞環(huán)軸向、徑向間隙超標(biāo)。

（3）氣缸和十字頭滑道不同心。

（4）介質(zhì)帶粉塵顆粒。

（5）氣缸冷卻效果差、排氣溫度高。

（6）介質(zhì)帶液。

2016年以來，通過反復(fù)復(fù)核檢修數(shù)據(jù)、檢查氣缸和十字頭滑道同心度，均符合要求；檢查氣缸冷卻系統(tǒng)并跟蹤三級(jí)排氣溫度趨勢(shì)均正常；介質(zhì)干凈且檢查壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾器及氣缸內(nèi)表面正常；基本排除了前五個(gè)原因。通過在三級(jí)入口管道上開孔取樣，運(yùn)行中肉眼可見氣體中帶液，結(jié)合斷裂位置靠近三級(jí)氣缸吸氣閥一側(cè)，初步判斷活塞環(huán)過快磨損的主要原因是由于介質(zhì)帶液。

2.2 聚四氟乙烯活塞環(huán)自潤(rùn)滑機(jī)理

聚四氟乙烯（PTFE）分子式為（CF2-CF2）n，C-F 以共價(jià)鍵結(jié)合，且鍵能較強(qiáng)（100×4186.8 kJ/mol），氟原子將C-C 健包圍起來起保護(hù)作用，使碳鏈免受一般活潑分子侵襲，加之分子完全對(duì)稱，分子間內(nèi)聚力很小，因此具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗咬合性能。

PTFE 為層狀結(jié)構(gòu)，分子輪廓極其光滑，有別于其他高分子材料的球晶結(jié)構(gòu)。其層間結(jié)合力弱，極易沿滑動(dòng)方向剪切，但另一方面，其分子鏈呈剛性，平均屈服強(qiáng)度較高，使得它易于轉(zhuǎn)移到與它對(duì)摩材料的表面上，形成PTFE-PTFE的摩擦副，摩擦因數(shù)大大降低。這一獨(dú)特的自潤(rùn)滑機(jī)理使得PTFE 材料擁有作為自潤(rùn)滑活塞環(huán)的天然優(yōu)勢(shì)。

具體應(yīng)用中，在初磨合階段，活塞環(huán)磨損速率較高，PTFE 材料逐漸向?qū)δ飧妆砻孓D(zhuǎn)移，填充氣缸表面的微缺陷，并在庫(kù)倫力和范德華力作用下，在氣缸對(duì)摩面上形成一層很薄的堅(jiān)實(shí)的轉(zhuǎn)移膜。伴隨著轉(zhuǎn)移膜的形成，活塞環(huán)和氣缸的摩擦變成了PTFE分子間的滑動(dòng)摩擦，活塞環(huán)變?yōu)槲⒘糠€(wěn)定的磨損（轉(zhuǎn)移膜形成見圖2）。根據(jù)文獻(xiàn)公式計(jì)算，在干燥氣氛中，初磨合時(shí)間根據(jù)氣缸表面粗糙度、活塞環(huán)速度、壓力不同，一般在2000～5000 s。

圖2 PTFE 活塞環(huán)轉(zhuǎn)移膜形成示意

2.3 帶液工況對(duì)PTFE 活塞環(huán)影響

在帶液工況下，氣缸表面形成一層液膜，阻止了PTFE 轉(zhuǎn)移膜的形成，特別是在未完成初磨合階段就開始帶液，轉(zhuǎn)移膜更加難以形成。帶液嚴(yán)重的，已形成的轉(zhuǎn)移膜也會(huì)脫落。在沒有轉(zhuǎn)移膜存在的情況下，活塞環(huán)和氣缸的摩擦副變成了PTFE-鋼，摩擦因數(shù)相比PTFE-PTFE 大大提高，導(dǎo)致活塞環(huán)和氣缸的過快磨損。

結(jié)合本案例，三級(jí)入口氣體帶液通過氣閥孔帶入氣缸，影響吸入口位置周圍氣缸上PTFE 轉(zhuǎn)移膜的形成，而氣缸內(nèi)其他位置因氣體壓縮溫度較高，環(huán)己烷液體快速汽化，因此對(duì)遠(yuǎn)離三級(jí)吸氣閥的其他位置影響相對(duì)較小，最終導(dǎo)致三級(jí)活塞環(huán)局部磨損斷裂的故障現(xiàn)象。

3 帶液原因計(jì)算與分析

3.1 各級(jí)分離器分液量計(jì)算

測(cè)得尾氣壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)口壓力、溫度，根據(jù)該溫度下的環(huán)己烷的飽和蒸氣壓和道爾頓分壓定律，可得各級(jí)進(jìn)口尾氣中環(huán)己烷含量及各級(jí)冷凝器冷凝的環(huán)己烷比例，見表1。表1 中，環(huán)己烷15 ℃時(shí)飽和蒸氣壓為12.5 kPa（A），40 ℃飽和蒸氣壓為24.6 kPa（A），尾氣中環(huán)己烷氣體含量占比（體積百分比，v/v）：V%=P1/P2，式中P1為該溫度下環(huán)己烷飽和蒸氣壓，P2為該位置尾氣壓力，均為絕壓。各級(jí)冷凝器出口冷凝液占比=（上一級(jí)入口環(huán)己烷含量-本級(jí)冷凝器出口環(huán)己烷含量）/一級(jí)入口環(huán)己烷含量。上述計(jì)算中假設(shè)尾氣中可冷凝成分全部為環(huán)己烷。

從表1 可以看出，二級(jí)分離罐分離出的環(huán)己烷比例最大，將近1/2（44.17%），因此二級(jí)分離罐分離負(fù)荷最重。

表1 尾氣壓縮機(jī)各級(jí)冷凝器環(huán)己烷冷凝量對(duì)比

3.2 二級(jí)分離器形式及分離原理

尾氣壓縮機(jī)二級(jí)分液罐為常規(guī)立式重力分離器，外形尺寸為DN350×1500 mm，中部切向進(jìn)氣，頂部出氣，底部排液。氣相段高度H=600 mm，無頂部除沫網(wǎng)。

3.3 液滴沉降速度計(jì)算方法

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，液滴沉降速度公式如下：

當(dāng)0.000 1＜Re＜1 時(shí)，為滯流區(qū)，公式為：

當(dāng)1＜Re＜1000 時(shí)，為過渡流區(qū)，公式為

當(dāng)1000＜Re＜105時(shí)，為湍流區(qū)，公式為：

式（1）～式（3）中雷諾數(shù)計(jì)算式為：

式（1）～式（4）中，Ut是液滴的沉降速度，m/s；g 是重力加速度，9.81m/s2；ρL是液體密度，kg/m3；ρG是氣體密度，kg/m3；d 是液滴直徑，m；uG是氣體黏度，Pa·s。

3.4 計(jì)算校核在用二級(jí)分離器分離效果

對(duì)于一般化工過程的氣液分離器，氣液相對(duì)運(yùn)動(dòng)大多處于過渡區(qū)，因此假定Re 在過渡區(qū)，這時(shí)可以用式（2）計(jì)算。根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)，化工氣液分離器要求分離的液滴最小直徑一般為100～350 μm，因壓縮機(jī)對(duì)帶液較敏感，這里液滴直徑d 取下限100 μm=0.000 1 m；流量按照額定流量1260 Nm3/h 核算，壓力0.7 MPa（A），溫度40 ℃。因液滴主要成分為環(huán)己烷，氣體主要成分為氮?dú)?，查物化?shù)據(jù)手冊(cè)，該壓力、溫度下氮?dú)怵ざ萿G=0.018 39 MPa·s=0.000 018 39 Pa·s，密度ρG=6.46 kg/m3，環(huán)己烷密度ρL=760 kg/m3，代入式（2）：

可以看出，液滴沉降速度Ut遠(yuǎn)小于氣體流速U 因此對(duì)于100 μm及以下的液滴，目前在用二級(jí)分離器無法有效分離。

可控式二元八木天線陣結(jié)合了定向性八木天線和全向性八木天線的優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)方面都將天線的作用提升了很大的高度。它通過一個(gè)電控裝置將天線陣實(shí)現(xiàn)在角度和速度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，改善不同情況下接收信號(hào)不良的狀況，并且可控式八木天線陣可以對(duì)波數(shù)進(jìn)行調(diào)控，從而改變天線的覆蓋范圍區(qū)域，以及對(duì)船舶實(shí)施有效的監(jiān)控。通過動(dòng)態(tài)調(diào)控天線性能，可以實(shí)現(xiàn)船舶跟蹤，避免時(shí)隙沖突，增加通信距離?？煽厥蕉四咎炀€陣可在海事局VTS的VHF基站、國(guó)內(nèi)甚至全球推廣，并且不僅局限于VHF岸站，在船上也可得到應(yīng)用。

3.5 其他影響帶液的因素

3.5.1 負(fù)荷因素

根據(jù)上述分析，壓縮機(jī)是否帶液主要和氣體流速，即尾氣負(fù)荷相關(guān)。尾氣壓縮機(jī)2007年投用，配套100 kt/a 環(huán)己酮裝置，設(shè)計(jì)流量為1260 Nm3/h，但投用初期裝置實(shí)際能力只有70 kt/a，直到2010年底裝置技改完成后裝置負(fù)荷達(dá)到100 kt/a，2013年小改造后進(jìn)一步提升至110 kt/a，相比投用初期，尾氣量至少增加57%以上。近幾年上游工況劣化，烷三塔尾氣冷凝負(fù)荷較重，尾氣量持續(xù)增加，尾氣壓縮機(jī)實(shí)際上已超負(fù)荷運(yùn)行，客觀上放大了二級(jí)分離器分離效果差的影響。

3.5.2 尾氣溫度

各單元尾氣進(jìn)入尾氣壓縮機(jī)前最后一個(gè)工序?yàn)榈蜏厮淠鞒獭Ｎ矚鈮嚎s機(jī)2007年投用之初，裝置低溫水系統(tǒng)水溫可以達(dá)到接近設(shè)計(jì)值的8 ℃，但隨著后期裝置擴(kuò)能，熱負(fù)荷增加及溴化鋰制冷機(jī)組性能下降，低溫水溫度逐漸升高（2016年夏天低溫水溫度最高已經(jīng)達(dá)到20 ℃，2018年最高達(dá)到22 ℃）。根據(jù)理論計(jì)算，尾氣8 ℃時(shí)環(huán)己烷含量約為8.5%，而在20 ℃時(shí)環(huán)己烷含量約為15.7%，同樣體積流量的尾氣中環(huán)己烷含量相差接近一倍。因此在級(jí)間分離器無法有效分離的情況下，低溫水溫度越高，尾氣中有機(jī)物含量越高，冷凝析液量越多，帶液情況越嚴(yán)重。

3.5.3 機(jī)組冷卻系統(tǒng)

根據(jù)API 618《石油化工和天然氣工業(yè)用往復(fù)式壓縮機(jī)》（以下簡(jiǎn)稱API 618）6.8.3.4.3 所述：“所提供的氣缸冷卻系統(tǒng)應(yīng)能避免氣體冷凝。冷卻水進(jìn)口溫度應(yīng)至少比進(jìn)口氣體溫度高5 K”，而目前三級(jí)入口氣體溫度42～45 ℃，三級(jí)氣缸冷卻水溫度32～34 ℃，因此三級(jí)入口氣體中飽和的環(huán)己烷氣體會(huì)在氣缸入口夾套處被冷卻后冷凝析液，加重了三級(jí)入口帶液。

4 改進(jìn)措施

4.1 按目前工況重新設(shè)計(jì)二級(jí)分離器

4.1.1 計(jì)算最小直徑Dmin

若使100 μm 直徑液滴得到有效分離，須氣體流速U＜液滴沉降速度Ut，Ut=0.15 m/s，式中，U 是氣體流速，m/s；V 是單位時(shí)間氣體流量，m3/s；D 是分離器直徑，m。先假設(shè)U=Ut，此時(shí)D 為最小直徑Dmin。氣體流量m3/s，則最小直徑按常用壓力容器規(guī)格，則最小直徑圓整為DN700。

4.1.2 計(jì)算氣相最小高度H1

一般認(rèn)為，氣相分離高度H1和直徑相當(dāng)即可，即H1=（0.8～1.2）D。為保證分離效果，這里取1.2D，即：H1=1.2×700=840 mm。

4.1.3 計(jì)算最小液相高度H2

氣液分離器液相高度H2由被分離液體在分離器中停留的時(shí)間確定。根據(jù)API 618 ：7.8.2.5 規(guī)定，分離器液相容積一般不小于15 min 液體量。氣體入口距離距最高液位高差一般不小于200 mm。

根據(jù)前述計(jì)算，二級(jí)分離器分離的環(huán)己烷總占比為44.17%，環(huán)己烷分子量84.16，密度760 kg/m3，則二級(jí)分離器每小時(shí)分離的液體體積VL（為簡(jiǎn)化計(jì)算，液體全部按環(huán)己烷計(jì)算，進(jìn)口氣體體積直接換算為標(biāo)態(tài)體積）為液相高度按15 min 液體量計(jì)算，氣體入口高差按200 mm 計(jì)算，則

4.1.4 特別說明

根據(jù)API 618:7.8.2.3：“…液體分離裝置應(yīng)除去所有10 μm或更大液滴的99%”，若按該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，重力式分離器直徑將超過2 m，明顯不合適。因此按重力式氣液分離器設(shè)計(jì)難以達(dá)到API 618 標(biāo)準(zhǔn)，本文中100 μm的最小液滴直徑計(jì)算是參考國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)所取，若要達(dá)到API 618的分離標(biāo)準(zhǔn)，需要增加聚結(jié)除沫器或者其他高效分離內(nèi)件。

尾氣壓縮機(jī)二級(jí)分離器重新設(shè)計(jì)前后對(duì)比見表2。

表2 尾氣壓縮機(jī)二級(jí)分離器重新設(shè)計(jì)前后對(duì)比

4.2 優(yōu)化裝置低溫水系統(tǒng)

針對(duì)目前裝置低溫水系統(tǒng)存在的問題，主要采取以下措施：

（1）維護(hù)維修制冷機(jī)組。2020年上半年對(duì)制冷機(jī)組進(jìn)行一次較深層次的維護(hù)，包括溴化鋰溶液分析補(bǔ)充濃縮、真空系統(tǒng)保養(yǎng)、傳感探頭測(cè)試及更換，使機(jī)組制冷出力率由之前的66.7%提高到93.3%，夏季機(jī)組出水溫度從之前的20 ℃以上降低至15 ℃以下，冬季預(yù)計(jì)可達(dá)到10 ℃以下。

（2）檢查低溫?fù)Q熱器及管線保冷，測(cè)量主要低溫水管線兩端溫差，冷損較大的換熱器和管線保冷進(jìn)行針對(duì)性整改。

（3）監(jiān)控裝置低溫水換熱器溫差及流量，調(diào)整低溫水流量分配，提高烷三塔和分解尾氣低溫水冷凝器水量。

4.3 優(yōu)化機(jī)組冷卻系統(tǒng)，避免氣缸入口氣體冷凝

計(jì)劃將機(jī)組各級(jí)冷卻器冷卻水改為低溫水，氣缸冷卻水仍維持循環(huán)水，即可達(dá)到API 618 要求，避免氣體冷凝。此外，還可以在二級(jí)分離器到三級(jí)氣缸之間管道上增加加熱措施，使三級(jí)入口氣體既有一定過熱度，又不至于被氣缸冷卻水冷凝。

4.4 采取減磨措施，提高活塞環(huán)使用壽命

4.4.1 改進(jìn)活塞環(huán)材質(zhì)配方

該機(jī)組所用活塞環(huán)為填充玻璃纖維的PTFE，根據(jù)文獻(xiàn)[2]試驗(yàn)數(shù)據(jù)，填充石墨、碳纖維、玻璃纖維、二硫化鉬均可提升PTFE的耐磨性，其中填充15%以上玻璃纖維的PTFE 耐磨性可提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，效果同比最佳。但單純填充玻璃纖維也有缺點(diǎn)，就是使摩擦系數(shù)變大，同時(shí)發(fā)生磨粒磨損，氣缸（缸套）磨損過快。文獻(xiàn)[3]研究表明，在填充玻璃纖維的PTFE 中再添加適量二硫化鉬，因?yàn)槎蚧f同樣是優(yōu)良的固體自潤(rùn)滑材料，就容易恢復(fù)到和基體PTFE 同樣的摩擦系數(shù)和較小的磨粒磨損狀態(tài)。因此建議將活塞環(huán)材料更換為填充玻璃纖維二硫化鉬的PTFE，改善耐磨和自潤(rùn)滑性能。

4.4.2 氣缸對(duì)摩面預(yù)處理

根據(jù)文獻(xiàn)[3]介紹，活塞環(huán)安裝前用活塞環(huán)材料對(duì)氣缸對(duì)摩面進(jìn)行預(yù)處理，可顯著提高活塞環(huán)使用壽命。API 618：6.8.2.4也有類似論述。這一過程的目的是用PTFE 初步填補(bǔ)摩擦表面的微觀凸凹不平處，提高轉(zhuǎn)移膜形成速度和質(zhì)量，減少磨損率。施工方法：首先清理研磨氣缸表面的鐵銹、高點(diǎn)，再用四氯化碳、丙酮等清洗氣缸內(nèi)表面的油污，用氮?dú)鈱飧妆砻娲蹈桑笥煤突钊h(huán)同樣的材料手工研磨氣缸壁，直至用手觸金屬表面有灰色PTFE 光澤并有柔滑感覺為止。

4.4.3 優(yōu)化運(yùn)行操作

設(shè)計(jì)增加調(diào)節(jié)閥，將各級(jí)級(jí)間分離器排液操作方式由手動(dòng)操作改為調(diào)節(jié)閥自動(dòng)操作，減少因操作調(diào)整不及時(shí)導(dǎo)致帶液。此外，新安裝活塞環(huán)、支撐環(huán)投用后，避免直接投用可能冷凝帶液的介質(zhì)。應(yīng)先用干燥氮?dú)膺\(yùn)行1 h 以上，待轉(zhuǎn)移膜形成后再投用易帶液介質(zhì)。

5 實(shí)施效果

因部分措施只能待條件具備才能實(shí)施，目前已完成的措施主要包括：①優(yōu)化裝置低溫水系統(tǒng)；②優(yōu)化運(yùn)行操作；③檢修時(shí)對(duì)氣缸對(duì)摩面進(jìn)行預(yù)處理。

實(shí)施效果：從工藝和操作上有效減少了三級(jí)入口帶液量，改善了機(jī)組運(yùn)行工況，使三級(jí)活塞環(huán)使用壽命從之前的平均3～4個(gè)月提高到10 個(gè)月以上（目前仍在運(yùn)行）。預(yù)計(jì)待其他幾項(xiàng)措施實(shí)施后，三級(jí)活塞環(huán)運(yùn)行壽命短的問題可徹底解決，達(dá)到并超過投用初期8000 h的運(yùn)行周期。

6 結(jié)論

（1）超負(fù)荷運(yùn)行、級(jí)間分離器直徑過小導(dǎo)致的帶液是造成三級(jí)活塞環(huán)過快磨損的主要原因。要解決帶液?jiǎn)栴}需重新設(shè)計(jì)二級(jí)分離器，分離效果要達(dá)到API 618 要求需增加聚結(jié)除沫器等高效分離內(nèi)件。

（2）尾氣壓縮機(jī)進(jìn)口氣體冷卻溫度影響帶液程度，對(duì)活塞環(huán)使用壽命也有較大影響。因此在環(huán)己烷不結(jié)晶的前提下應(yīng)盡可能降低壓縮機(jī)入口介質(zhì)溫度。

（3）對(duì)于易冷凝的飽和工藝氣體，氣缸冷卻水進(jìn)口溫度應(yīng)高于入口氣體溫度5 ℃以上，以避免介質(zhì)冷凝帶液。

（4）活塞環(huán)材質(zhì)改進(jìn)、氣缸對(duì)磨面預(yù)處理可在一定程度上減少活塞環(huán)磨損率，提高使用壽命。

（5）各級(jí)分離器排液由手動(dòng)操作改為自動(dòng)。

新活塞環(huán)投用后，先用氮?dú)饪者\(yùn)行一定時(shí)間可以避免活塞環(huán)壽命受到異常影響。