影響隔膜壓縮機長周期運行的因素分析與對策

李國偉

（中國石油化工股份有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510705）

0 引言

目前，石化行業(yè)氫能具備豐富的資源和供給能力，它也是未來構(gòu)建以清潔能源為主的能源供給系統(tǒng)的重要載體，對加快能源轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重大意義。未來十年，全球燃料電池乘用車將進入快速發(fā)展階段。對于中國石化在粵港澳大灣區(qū)首個投用的商用加氫母站，壓縮機的運行穩(wěn)定性至關(guān)重要，本文主要分析影響隔膜壓縮機穩(wěn)定運行的因素和對策。

1 隔膜壓縮機簡介

隔膜壓縮機是一種特殊的容積式壓縮機，曲軸箱內(nèi)組件與一般往復(fù)壓縮機類似，其余采用特殊結(jié)構(gòu)的活塞桿；液壓油系統(tǒng)，運行時通過一組膜片將膜腔分隔為氣體壓縮腔和液壓油腔；膜片組件，膜片在液壓油推力的作用下完成膨脹、吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)過程。本文主要分析影響氫燃料供氫中心加氫母站隔膜壓縮機長周期運行的因素及相關(guān)改進措施。

2 隔膜壓縮機工作原理

當活塞自缸體側(cè)止點向曲軸箱方向運行時，膜片跟隨液壓油向平衡位置運動，氣腔容積逐漸增大，殘留在余隙容積內(nèi)的氣體也隨之膨脹，氣腔內(nèi)壓力逐漸降低，當壓力低于外部壓力時，開始進氣；活塞最終到達曲軸箱側(cè)止點，膜片則通過平衡位置到達曲軸箱方向止點位置，進氣結(jié)束；接著活塞向相反方向運行并通過液壓油推動膜片壓縮氣體，氣腔內(nèi)壓力逐漸上升，當氣腔壓力達到排氣壓力時，開始排氣；最后膜片重新緊貼缸蓋穹形表面，排氣結(jié)束，膜腔內(nèi)完成一個工作循環(huán)。在用隔膜壓縮機參數(shù)如表1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隔膜壓縮機內(nèi)部構(gòu)造圖

表1 在用隔膜壓縮機兩種機型參數(shù)

3 隔膜壓縮機故障因素

表2羅列了機1、機2自2020年12月15日投用以來設(shè)備檢修情況，從故障情況來看，O型密封圈密封失效及膜片破裂損壞是影響機組長周期穩(wěn)定運行的主要因素。

表2 壓縮機故障檢修情況

3.1 影響O型密封圈壽命的主要因素

O型密封圈壽命決定隔膜壓縮機長周期運行的可靠性，可靠的O型密封圈能有效減少設(shè)備的檢維修成本，保證裝置開工率。影響隔膜壓縮機O型密封圈壽命的主要因素有材質(zhì)選型、壓縮變形、間隙咬傷、安裝不當引起的扭曲現(xiàn)象和溫度、磨損等。

3.1.1 密封圈加工精度及密封面粗糙度因素

圖2為機1隨動閥油路入口損壞O圈，顯示已剪切失效，局部有飛邊現(xiàn)象，徑向有明顯螺紋槽壓痕，另外配合孔密封面粗糙有毛刺，實測接頭O型密封圈密封面粗糙度大于Ra3.2。

圖2 2020年12月機1隨動閥故障情況

損壞原因：隨著接頭螺紋的旋入，O型圈不斷與密封面旋轉(zhuǎn)摩擦，導(dǎo)致O型圈過度磨損，毛刺刺傷，出現(xiàn)疲勞斷裂。

圖3為機2氣側(cè)鋼制密封圈，有3處凸起不平整，機2運行一周出現(xiàn)泄漏。

圖3 2021年7月機2剛性密封圈故障情況

O型密封圈的設(shè)計規(guī)范要求：靜密封面粗糙度為Ra1.6～Ra3.2，鋼制膜片要求為Ra0.4，高壓密封面可適當提高。從現(xiàn)場加工精度來看，遠遠沒有達到設(shè)計要求。因此采購時，不僅需要完善技術(shù)質(zhì)量證明文件對制造廠加以約束，而且還要嚴格把關(guān)制造加工階段的質(zhì)量驗收，避免密封圈存在開?？s裂、組合飛邊、過度修邊、飛邊、流痕、凹痕、密封面粗糙度不達標等情況。

3.1.2 O型密封圈硬度及填充率不足因素

機1隔膜壓縮機膜片破裂報警實測值增長速度過快（一般5天左右從0 MPa升至0.15 MPa）。為消除隱患，降低現(xiàn)場人員操作膜片破裂報警檢測儀表根部閥的頻率，制造廠家對密封圈重新進行了選型設(shè)計，提高了膜片密封圈的填充率及硬度要求。

制造廠家提供的O型密封圈按企業(yè)自身內(nèi)部標準設(shè)計，線徑5.3 mm，填充率87.5%，硬度HA75。查閱O型密封圈規(guī)范及使用場合，要求硬度控制在HA75～HA90，填充率65%～90%，因此設(shè)計雖然符合規(guī)范要求，但根據(jù)高純氫壓力高、易滲透的特點，判斷標準偏低。

改造后，硬度達到HA90，線徑增加到5.5 mm，填充率達到94%。改造后效果明顯，密封圈泄漏情況得到了改善。

3.1.3 雜質(zhì)因素

對于不容易安裝的O型密封圈，不規(guī)范地涂抹潤滑脂，會造成密封頻繁泄漏。因此，密封件間可涂少量與O型密封圈相容的潤滑脂，但不得使用含固體添加劑的潤滑脂，如二硫化鉬、硫化鋅等。

3.1.4 溫度因素

目前隔膜壓縮機選用的O型密封圈材質(zhì)主要是NBR和FKM，性能參數(shù)如表3所示，基本能滿足生產(chǎn)需要。但從表2可以看出，在廣州每年12月至來年2月氣溫驟降期間，易發(fā)生密封圈失效泄漏情況。因此，在此期間可進行提前預(yù)防性維護，密封點使用定力矩扳手緊固校核。

表3 隔膜壓縮機常用O型密封圈及適用范圍

3.1.5 O型密封圈安裝質(zhì)量因素

清潔、安裝O型密封圈時禁止過量拉伸。拉伸過大會導(dǎo)致O型密封圈截面積減小，出現(xiàn)泄漏。按O型密封圈設(shè)計規(guī)范，拉伸量不超過1%～5%，因為拉伸1%將使截面直徑減少約0.5%。

3.2 影響膜片壽命的主要因素

3.2.1 材料因素

隔膜壓縮機的膜片材質(zhì)有金屬膜片和非金屬膜片兩種。膜片材料應(yīng)具有較高的彈性極限和疲勞極限，目前氫氣隔膜壓縮機使用的主要有00Cr15Ni5、316、301等材料，市場用金屬膜片的使用壽命一般為4000 h左右。為提高膜片的疲勞強度，金屬膜片可在固溶處理后進行深冷加工處理，使金屬膜片微觀組織更加細碎化、更致密，深冷處理可使00Cr15Ni5金屬膜片的強度提高，抗拉強度增加65 MPa[1]。但實際應(yīng)用中由于處理工藝不同，時效抗拉強度有所差異。

表4中301材質(zhì)含碳量高，硬度高，Ni含量介于00Cr15Ni5和316之間，疲勞抗力較好，適合彈性用途，同樣在冷加工時抗拉強度可得到明顯提高，也是目前利用較多的材料。此外，碳纖維非金屬膜片也在進行研究測試。

表4 氫氣隔膜壓縮機常用膜片性能參數(shù)

3.2.2 摩擦因素

膜片材料、缸蓋和配油盤密封面的粗糙度也會影響膜頭的密封性能，膜片成型后需經(jīng)拋光處理，使表面平整、光亮。制造廠家提供的技術(shù)要求：膜片及密封面的粗糙度≤Ra0.4，但從圖4、圖5可以看出，實際材料的性能遠未達到相關(guān)技術(shù)要求。目前制造廠家已提供了經(jīng)過拋光處理的膜片，運行周期有待觀察。

為減少膜片間的摩擦對膜片壽命的影響，壓縮機中間膜片需經(jīng)特殊工藝處理，根據(jù)工況可選擇襯TEFLON涂層、黃銅材料等；同類型材質(zhì)的膜片在安裝時表面之間應(yīng)涂抹適量油層，以減少摩擦。

3.2.3 應(yīng)力因素

為提高氫氣產(chǎn)量，膜片的設(shè)計撓度需盡可能大，膜片表面內(nèi)應(yīng)力分布合理，可降低應(yīng)力曲線峰值，延長膜片壽命。從圖4和圖5膜片破裂位置看，處于從中心到邊緣徑向尺寸的85%～90%。目前國內(nèi)加氫母站最大排氣量為1300 Nm3/h，這可以為今后Ⅱ期1800 Nm3/h隔膜壓縮機頭內(nèi)腔曲線設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

圖4 機2外觀及膜片損壞情況

圖5 機1外觀及膜片損壞情況

通常鋼制膜片的厚度控制在0.3～0.5 mm，過厚的膜片會增加應(yīng)力，較薄的膜片易發(fā)生材料變形和斷裂。一組三張膜片夾持在缸蓋和配油盤之間，不正確的安裝會造成膜片應(yīng)力集中。因此，提高膜片及密封面的光潔度以及合理選型O型密封圈，可明顯提升設(shè)備的密封性能。在此基礎(chǔ)上，可適當降低缸蓋螺栓的預(yù)緊力，減小膜片的附加應(yīng)力，延長其使用壽命。

3.2.4 介質(zhì)清潔度因素

按《加氫站用隔膜壓縮機安全使用技術(shù)規(guī)范》（T/CCGA 40004—2021）[2]要求，壓縮機入口和潤滑油管路均需配置過濾精度≤25 μm的過濾器。實際運行過程中，在氣體來源出口和壓縮機入口各設(shè)置一個過濾精度為5 μm的進氣過濾器，油路也設(shè)置了一個過濾精度為5 μm的濾芯，基本滿足設(shè)備長周期穩(wěn)定運行需求。

3.2.5 溫度因素

按《隔膜壓縮機》（JB/T 6905—2019）[3]標準要求，隔膜壓縮機排氣溫度不超過180℃，過高的排氣溫度不僅會降低膜片材料的性能，還會增加膜片的熱應(yīng)力。因此，需要在膜頭缸蓋增設(shè)水冷設(shè)施和級間換熱器，以降低膜頭溫度，延長膜片的使用壽命。

對于增設(shè)級間換熱器的機組，還要依據(jù)中國石化《煉油工藝防腐蝕管理規(guī)定》實施細則的要求控制排氣溫度，滿足循環(huán)冷卻水換熱器中工藝介質(zhì)溫度宜小于130℃的要求，減小循環(huán)水垢下腐蝕對設(shè)備造成的危害。

3.2.6 液壓油因素

3.2.6.1 調(diào)壓閥因素

液壓油系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是隔膜壓縮機長周期運行的重要保障。液壓油系統(tǒng)包括電機驅(qū)動的曲軸、連桿、十字頭和特制活塞，通過活塞往復(fù)運動，產(chǎn)生液壓油壓力，推動油側(cè)膜片向氣體側(cè)運動，從而壓縮氣體，將氣體排出。此外，系統(tǒng)還包括調(diào)壓閥、柱塞泵、單向閥等。

液壓油壓力的設(shè)定是通過安裝在隔膜頭上的調(diào)壓閥來完成，其控制隔膜頭的排油壓力，通常設(shè)定壓力高出排氣壓力5%～20%。目前，調(diào)壓閥有兩種形式，一種是固定壓力調(diào)壓模式，可通過旋啟調(diào)壓閥手輪調(diào)整設(shè)定壓力；另外一種是隨動閥，可根據(jù)氣側(cè)入口壓力的變化實時調(diào)整膜頭油壓。

實際高純氫充裝過程中，壓縮機出口壓力、緩沖罐壓力波動明顯，幅度在1.5～2.0 MPa，波動較大。此時，固定壓力的調(diào)壓閥由于調(diào)壓不及時，隔膜頭缸蓋會出現(xiàn)異常拍缸現(xiàn)象，而安裝隨動閥側(cè)的膜頭，壓力適應(yīng)性較好，運行狀況良好。

3.2.6.2 柱塞泵能力不足因素

目前在用的膜頭供油方式分外置油泵供油和軸頭主油泵供油兩種方式。2021年7月，機2隔膜頭出現(xiàn)回油中斷、二級膜片破裂的故障，分析判斷主要是二級隔膜頭柱塞泵供油不足導(dǎo)致。

設(shè)備一級齒輪86齒，增速齒輪24齒，主電機轉(zhuǎn)速365 r/min。為提高供油量，計劃將增速齒輪改為22齒，改造后油量增加2.9 L/min，各項運行參數(shù)恢復(fù)正常。

4 結(jié)語

加氫母站隔膜壓縮機的穩(wěn)定運行，是確保高純氫持續(xù)供應(yīng)、助力粵港澳大灣區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。該站目前投用的隔膜壓縮機是國內(nèi)能力最大的機型，理論設(shè)計與實際運行參數(shù)存在一定差距，本文通過總結(jié)生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的故障，并結(jié)合理論實際進行有針對性的改進和調(diào)整，為今后氫能設(shè)備的穩(wěn)定保供、更大能力隔膜壓縮機的改進、設(shè)備的采購選型以及行業(yè)規(guī)范的補充完善提供了一定的數(shù)據(jù)支持。