往復壓縮機曲軸磨損故障案例分析

李迎麗，王紹鵬，畢泗春，李雯雯

（中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102200）

0 引言

在當今石油化工企業(yè)中，往復壓縮機作為主要的加壓設備被廣泛使用。其工作的主要原理是，活塞通過往復運動使缸體內(nèi)容積發(fā)生周期性變化，最終實現(xiàn)缸內(nèi)氣體的增壓和輸送的一種容積型壓縮機。曲軸作為往復機工作的主要部件，電機軸驅(qū)動其將轉(zhuǎn)動狀態(tài)傳遞到壓縮機、進而驅(qū)動連桿，使之成為往復循環(huán)運動，實現(xiàn)往復壓縮的工作狀態(tài)。

1 往復壓縮機主要部件

往復壓縮機的主要部件及輔助系統(tǒng)，包括往復機機身、曲軸及連桿、十字頭、接筒、各級氣缸、活塞、盤根、氣閥、刮油環(huán)、氣體管路、水路系統(tǒng)、潤滑油路系統(tǒng)和氣缸、填料注油系統(tǒng)等。

（1）機身是往復機的主要部件，包括曲軸箱與中體兩部分。十字頭滑道分布在中體的兩側(cè)，為方便日后檢修拆裝，把頂部設置為開口式，而且滑道兩側(cè)開孔，方便檢修。頂部添加蓋板安裝呼吸閥，保持與大氣互通。潤滑油是保證機組長周期運行的保障，也儲存在機身下部。

（2）連桿的作用是連接活塞和曲軸，把活塞頂部的壓縮氣體壓力傳遞給曲軸，使直線運動轉(zhuǎn)化為曲軸的回轉(zhuǎn)運動，達到輸出功率。

（3）十字頭是連接活塞與連桿的零件，具有導向作用。在長期使用中如果發(fā)現(xiàn)以下情況應及時更換：①滑板與機身滑道磨損超差；②合金層脫落，離層、拉成溝痕；③本體有裂紋，存在制造缺陷；④連接法蘭有損壞；⑤十字頭銷孔磨損等。

（4）各級氣缸由缸座、缸體、缸蓋3 個部分組成，不同的壓縮方式、氣缸的分布方式有不同的分類：按活塞在氣缸內(nèi)的作用方式可以分為單作用、雙作用和級差式；按在氣缸內(nèi)受到壓縮的方式，可以分為單級壓縮和多級壓縮；按氣缸是否用油潤滑，分為有油潤滑和無油潤滑兩種；按氣缸的布置方式，可以分立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)兩種。氣缸水平分布于曲軸的兩側(cè)，為對動型往復壓縮機。

（5）活塞。往復壓縮機主要通過活塞在氣缸內(nèi)作往復運動來壓縮和輸送氣體，所以活塞在機組的工作中有非常大的作用?；钊饕怯苫钊倔w、活塞桿、連接螺母、活塞環(huán)、支承環(huán)組成：活塞環(huán)用來密封介質(zhì)，支撐環(huán)用來支撐活塞本體，而活塞桿為進行了表面硬化的鍛鋼件，具有非常高的耐磨性，能長時間運行而不損壞。

（6）盤根由多組碳環(huán)構(gòu)成。碳環(huán)有非常好的潤滑性及導熱性，且自身的摩擦系數(shù)很小，有不傷軸等優(yōu)點。根據(jù)不同的要求，可采用碳纖維、銅絲、304、316L、茵苛鎳合金絲等進行補強。

（7）氣閥是往復壓縮機中用來控制氣體進出的部件，由閥座、閥片、彈簧與升程限制器組成。閥片之間的升程高度決定了氣體通道的大小，氣閥的工作性能將直接影響壓縮機氣缸的工作。

（8）刮油環(huán)分為普通油環(huán)和組合油環(huán)兩種，一般每個活塞上采用1～2 道刮油環(huán)。普通油環(huán)由合金鑄鐵制成。

2 往復壓縮機工作原理

往復式壓縮機工作過程簡單的分為膨脹、吸入、壓縮和排氣4 個過程，每往復做功一次都有吸氣和排氣的過程：當活塞移動時，缸體內(nèi)氣體所在空間變大，壓縮的氣體介質(zhì)本身的壓力降低，當降到小于氣閥進氣壓力時，介質(zhì)氣體就壓開進氣閥一并進入氣缸，一直到活塞移動到死點之前不停進氣；當活塞反向移動時，缸體內(nèi)氣體所在空間變小，這是一個壓縮過程的開始。由于吸氣閥和排氣閥都是單向閥，所以不存在倒流回缸體內(nèi)的現(xiàn)象，且出口管中氣體壓力又高于氣缸內(nèi)部的氣體壓力，缸內(nèi)的氣體也無法從排氣閥竄到缸體外。由于缸體內(nèi)部的壓縮介質(zhì)總量是固定的，但隨著活塞的不斷運動，缸內(nèi)的氣體空間逐漸減小，所以被壓縮氣體的壓力將升高。當升高到大于出口管中的氣體壓力時，氣體頂開排氣閥沖出，直到活塞移動到死點。這一過程是不斷重復的，所以壓縮氣體被不斷地被吸入和排出，循環(huán)往復。

3 曲軸磨損故障的主要現(xiàn)象及原因

（1）橢圓形磨損。曲軸軸頸磨損極其不均勻，主軸頸與連桿軸頸會造成橢圓形磨損，且磨損最嚴重的地方都是靠近連桿軸頸的一側(cè)；由于作用力是相互的，所以連桿軸頸磨損最嚴重的地方也是靠近主軸頸的一側(cè)，相互對應。

（2）錐形磨損。由于潤滑油質(zhì)量存在問題，如含有雜質(zhì)等。往復機正常工作時，曲軸進行圓周運動，在離心力的作用下，潤滑油中的雜質(zhì)會被不斷地堆積在某一側(cè)（通向連桿軸頸的潤滑油油道是傾斜的），使這一側(cè)的磨損速度遠大于其他方向的磨損速度，最終形成錐形磨損。此外，如果各曲軸瓦不在一條中心直線上，也會由于受力不均會使軸頸形成偏磨。

（3）其他故障。除了上面兩種磨損情況之外，軸頸表面還會有輕微擦傷與燒傷的情況發(fā)生。

由上述分析可知，曲軸磨損的主要原因有以下6 個：①瓦間隙過大；②瓦間隙偏小，或各曲軸瓦不在一條中心直線上；③連桿活塞組或曲軸平衡鐵及飛輪不平衡；④潤滑油質(zhì)量差；⑤曲軸本體存在制造缺陷或有變形；⑥整體機組的基礎下沉。

4 曲軸磨損案例分析

2018 年7 月26 日，C1102C 壓縮機組檢修完畢，機組潤滑油系統(tǒng)投運正常（圖1）。壓縮機在空負荷試運時，發(fā)現(xiàn)三級缸無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)吸氣狀態(tài)下不是零負荷。

圖1 機組概貌

停機后聯(lián)系供應商進行檢查：2018 年7 月30 日，無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)試合格；7 月31 日，C1102C 壓縮機組投運；8 月2 日15:00，機組在運行大約50 h 后，因機組發(fā)出巨大的撞擊聲，同時主軸承溫度快速上升，將C1102C 切換至C1102D 運行。

現(xiàn)場檢修人員將C1102C 解體，發(fā)現(xiàn)所有主軸頸和曲軸徑軸瓦燒研（圖2）。其中，三級曲軸瓦損壞最嚴重，其余兩幅曲軸瓦磨損情況相對較輕，全部主軸瓦磨損。根據(jù)軸瓦損壞現(xiàn)象，判斷軸瓦損壞原因為軸瓦加工質(zhì)量有缺陷，油槽根部未加工圓角，形成應力集中，在往復重載荷下開裂。故障軸瓦是2016 年8 月機組改造期間由沈陽遠大壓縮機所配制的非標準軸瓦，對應的曲軸軸頸為329.5 mm。

圖2 曲軸箱振動歷史比較

根據(jù)各軸瓦損壞情況對比，損壞最嚴重的軸瓦是三級連桿大頭瓦，可以判斷三級連桿大頭瓦是最先損壞的。熔覆層硬度是母材硬度的70%左右，未達到熔覆層金屬的硬度要超過母材硬度80%的要求。三級曲軸瓦損壞后，造成潤滑油系統(tǒng)壓力急劇下降，一部分潤滑油從三級曲軸瓦處流回油箱，全部主軸瓦、曲軸瓦處潤滑油流量、壓力都有所下降，軸頸與軸瓦間油膜遭到破壞，造成軸瓦、軸頸全部磨損，潤滑油溫度明顯升高。

根據(jù)以上振動特征征兆得出判斷，壓縮機組發(fā)生強烈振動的主要原因是曲軸磨損?，F(xiàn)場機組窗口檢修時發(fā)現(xiàn)曲軸磨損（圖3）。

圖3 主軸瓦和主軸磨損