CO2壓縮機(jī)三級(jí)氣缸缸套頻繁磨損原因分析及處理措施

呂云輝， 王立明, 楊國(guó)策

(青海云天化國(guó)際化肥有限公司， 西寧 811600)

1 概況

2021年5月13日,青海云天化國(guó)際化肥有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)青海云天化)計(jì)劃性檢修化工裝置CO2壓縮機(jī)5#機(jī)，發(fā)現(xiàn)三級(jí)氣缸缸套磨損嚴(yán)重，于是更換5#機(jī)三級(jí)氣缸。2021年6月2日,計(jì)劃性檢修化工裝置CO2壓縮機(jī)1#機(jī)，發(fā)現(xiàn)三級(jí)氣缸缸套磨損嚴(yán)重，于是更換1#機(jī)三級(jí)氣缸。2021年12月,機(jī)組年度大修，發(fā)現(xiàn)1#機(jī)、5#機(jī)三級(jí)氣缸缸套磨損嚴(yán)重，其中:1#機(jī)水平磨損量為0.56～0.72 mm，垂直磨損量為0.88～1.88 mm；5#機(jī)水平磨損量為1.72～2.53 mm，垂直磨損量為0.68～1.45 mm(見(jiàn)圖1、圖2)。由圖1和圖2可以看出：除氣缸鏡面上部無(wú)磨痕外，其余部位(左側(cè)、右側(cè)及下部)均有明顯磨痕。1#機(jī)和5#機(jī)組運(yùn)行僅0.5 a再次出現(xiàn)三級(jí)氣缸缸套嚴(yán)重磨損的情況，對(duì)機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行非常不利。因此，解決機(jī)組三級(jí)氣缸缸套頻繁磨損顯得尤為重要。

2 CO2壓縮機(jī)

2.1 工藝流程

合成氨裝置送來(lái)的CO2氣體(φ(CO2)≥98.5%)壓力為0.040 MPa,溫度為20～40 ℃。將其送入界區(qū)，通過(guò)CO2液滴分離器除去水分、加入鈍化空氣后至送入CO2壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)五級(jí)壓縮至13.7～14.7 MPa,脫氫后送至尿素工段作為生產(chǎn)尿素的原料氣[1-2]。

2.2 工作原理

CO2壓縮機(jī)利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸的曲軸帶動(dòng)連桿大頭做圓周運(yùn)行，使連桿小頭帶動(dòng)十字頭在滑道上做往復(fù)運(yùn)行，十字頭又通過(guò)活塞桿帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)行，經(jīng)氣閥將氣體吸入并壓出氣缸，從而達(dá)到壓縮和輸送氣體的目的[3-4]。

2.3 設(shè)備簡(jiǎn)介

青海云天化共5臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)/活塞式壓縮機(jī)，其中一期有3臺(tái)，二期有2臺(tái)，型號(hào)分別為6MD-178/146(一期)、6MD-215/146(二期)，主電機(jī)型號(hào)為T(mén)K3500-20/2600,由濰坊市昌泰機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)制造，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。該CO2壓縮機(jī)分五級(jí)壓縮，壓縮參數(shù)見(jiàn)表2。其中,第一級(jí)由2個(gè)氣缸組成，其余各級(jí)均為1個(gè)氣缸。壓縮機(jī)主要由機(jī)身(曲軸箱)、氣缸、連桿、十字頭、氣閥、填料及刮油環(huán)、中體、中間接筒、盤(pán)車(chē)機(jī)構(gòu)、活塞桿及活塞等組成(見(jiàn)圖3)。氣缸缸套鑲嵌在氣缸中，缸套磨損無(wú)法使用時(shí)，只需更換缸套即可，節(jié)約了備件采購(gòu)費(fèi)用。

表1 CO2壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 CO2壓縮機(jī)壓縮參數(shù)

3 存在問(wèn)題及原因分析

影響CO2壓縮機(jī)三級(jí)氣缸缸套頻繁磨損的因素較多，如進(jìn)口分離器分離效果差導(dǎo)致缸體帶水嚴(yán)重、活塞環(huán)與缸套潤(rùn)滑不良、設(shè)計(jì)缺陷等。根據(jù)對(duì)該機(jī)組近年來(lái)的檢修與分析，最后將分析重心集中到了以下3個(gè)方面，并逐一排查。

3.1 分離器分離效果較差

合成氨裝置分離器內(nèi)的分離元件為絲網(wǎng)除沫器，直徑為2 000 mm，體積為16.7 m3。正常運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入分離器的CO2氣體帶水量較大(分離水質(zhì)量流量為6～7 t/h)，氣體體積流量達(dá)33 000 m3/h，現(xiàn)設(shè)備內(nèi)氣體流速約為3.4 m/s，絲網(wǎng)除沫器處流速約為3.47 m/s。根據(jù)HG/T 21618—1998 《絲網(wǎng)除沫器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算，絲網(wǎng)除沫器的操作流速應(yīng)為2.2～3.5 m/s，由此可見(jiàn)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)介質(zhì)流速已達(dá)到設(shè)計(jì)允許的最高流速。由于進(jìn)入絲網(wǎng)除沫器的CO2氣體含水量較大，并且流速較高，造成絲網(wǎng)分離效率降低，部分水被帶至CO2壓縮機(jī)，從而影響CO2壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)分析，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，有38 L/h的水被帶入CO2壓縮機(jī)氣缸，對(duì)氣缸缸套磨損沖擊較大。因此氣缸缸套帶水嚴(yán)重是引起缸套磨損的主要原因之一。

3.2 潤(rùn)滑不良

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑不良會(huì)加大對(duì)氣缸缸體、活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注油情況可在一級(jí)南缸、北缸(均有3個(gè)注油孔)對(duì)缸體進(jìn)行注油，二級(jí)、五級(jí)氣缸也有2個(gè)注油孔可以對(duì)缸體進(jìn)行注油，唯獨(dú)三級(jí)、四級(jí)氣缸僅有1個(gè)注油孔對(duì)缸體進(jìn)行注油，但是四級(jí)氣缸缸體較小，缸體磨損較小。三級(jí)氣缸缸體較大，1個(gè)注油孔明顯無(wú)法滿(mǎn)足氣缸缸體、活塞環(huán)、支撐環(huán)的潤(rùn)滑。注油器設(shè)計(jì)每分鐘注油12滴，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整至15滴，但是氣缸缸體磨損情況并無(wú)明顯改善，因此可排除潤(rùn)滑不良引起的磨損。

3.3 設(shè)計(jì)缺陷

3.3.1 氣缸缸體硬度不足

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，一級(jí)和五級(jí)氣缸缸體(缸套)硬度為HRC24～HRC27,缸套材質(zhì)為合金鑄鐵JT25-47D，材質(zhì)分析見(jiàn)表3。從表3可以看出：設(shè)計(jì)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值差別較大。咨詢(xún)部分CO2壓縮機(jī)廠(chǎng)商，其缸套硬度均在HRC40～HRC50，因此青海云天化所采用的CO2壓縮機(jī)缸套硬度偏小。

表3 三級(jí)氣缸缸套化學(xué)成分

3.3.2 活塞體設(shè)計(jì)缺陷

CO2壓縮機(jī)三級(jí)活塞體材質(zhì)為HT250，質(zhì)量較大，運(yùn)行過(guò)程中對(duì)氣缸下部鏡面磨損較大，活塞體自身磨損也較大，對(duì)活塞桿造成不良影響。活塞體支撐環(huán)在中間位置，并且只有1個(gè)，設(shè)計(jì)不合理(見(jiàn)圖4、圖5)。運(yùn)行過(guò)程中活塞體在氣缸內(nèi)的平衡度無(wú)法保障，機(jī)組運(yùn)行不平穩(wěn)。

3.3.3 活塞環(huán)材質(zhì)選用不當(dāng)

活塞環(huán)材質(zhì)為HT250，硬度比氣缸缸壁鏡面硬度高10%～15%，更容易造成氣缸缸壁鏡面磨損，活塞環(huán)自身磨損也較大。

3.3.4 活塞環(huán)尺寸偏小

活塞環(huán)軸向和徑向尺寸設(shè)計(jì)偏小，活塞環(huán)寬度為9 mm，厚度為13.8 mm，耐磨性較差。

由以上分析可知，引起CO2壓縮機(jī)三級(jí)氣缸缸套頻繁磨損的因素主要是分離器分離效果較差導(dǎo)致氣缸帶水嚴(yán)重,以及活塞體、活塞環(huán)、支撐環(huán)設(shè)計(jì)存在缺陷。

4 改進(jìn)措施

由于現(xiàn)場(chǎng)條件有限，因此只對(duì)分離器、活塞體、活塞環(huán)、支撐環(huán)進(jìn)行改造。

4.1 分離器改造

在原設(shè)備基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)口分布器和分離元件進(jìn)行改造，改造后10 μm及以上的液滴達(dá)到100%分離。絲網(wǎng)除沫器改造為葉片式分離元件，采用新型分布器，降低氣體帶液量。分離工作原理為氣體、液體和固體混合物進(jìn)入分離器，其流速降低，流動(dòng)方向改變，混合物經(jīng)過(guò)過(guò)濾元件，根據(jù)過(guò)濾元件精度，將大于元件孔隙的組分過(guò)濾下來(lái)，從而達(dá)到分離目的(見(jiàn)圖6)。2021年12月年度大修期間對(duì)分離器內(nèi)件進(jìn)行了改造，截止到2022年3月6日，該分離器已累計(jì)運(yùn)行40 d，帶水體積流量由38 L/h降低至26 L/h，減少了12 L/h，改造效果明顯。

4.2 活塞體改進(jìn)

4.2.1 活塞體支撐環(huán)設(shè)在活塞體兩側(cè)

活塞體支撐環(huán)設(shè)在活塞體兩側(cè)，有效長(zhǎng)度由160 mm增加至180 mm(見(jiàn)圖7)。

4.2.2 活塞環(huán)分布在活塞體中間

改造前活塞環(huán)設(shè)計(jì)在活塞體兩側(cè),將其改為分布在活塞體中間(見(jiàn)圖7)，材質(zhì)更換為改性聚四氟乙烯，并填充石墨和碳纖維等。改造后活塞環(huán)的硬度低于氣缸缸套的硬度，不會(huì)對(duì)氣缸鏡面造成較大的磨損?；钊h(huán)軸向尺寸(寬度)由9 mm增加至12 mm，徑向尺寸(厚度)由13.8 mm增加至16 mm。

4.2.3 活塞體材質(zhì)改造

活塞體材質(zhì)由HT250改為ZL108，ZL108質(zhì)量較輕，改造后活塞體質(zhì)量約為改造前活塞體質(zhì)量的1/3，并且經(jīng)廠(chǎng)家技術(shù)人員核算滿(mǎn)足要求。

活塞端面最大壓差ΔP為:

ΔP=P2-P1

(1)

式中：P2為三級(jí)氣缸出口壓力，MPa；P1為三級(jí)氣缸進(jìn)口壓力，MPa。

當(dāng)量圓直徑Dd為:

(2)

式中：d2為活塞體外壁直徑，mm；d1為活塞體正面轂部直徑，mm；i為加強(qiáng)筋數(shù)。

活塞端面厚度δ為:

(3)

式中：[σω]為許用彎曲應(yīng)力，MPa；δ1為鑄造偏差附加值，一般取4 mm。

端面中最大彎曲應(yīng)力σω為:

(4)

活塞體轂部切應(yīng)力τ為:

(5)

式中：D為活塞體外徑。

比壓q為:

(6)

式中：P為最大活塞力，kN；d4為活塞體背面轂部直徑，mm；d3為活塞體孔徑，mm。

改造后三級(jí)活塞體圓柱凸肩和活塞體轂部示意圖見(jiàn)圖8、圖9。

根據(jù)廠(chǎng)家提供的資料，以及查閱《活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)》，已知P1=0.9 MPa，P2=2.2 MPa，d1=200 mm,d2=365 mm,i=6,D=457,P=380 kN,d3=93 mm,d4=190 mm。將各參數(shù)代入式(1)～式(6)可知，ΔP=1.3 MPa，Dd=124.65 mm，δ=25.79 mm，σω=12.85 MPa，τ=13.16 MPa，q=17.63 MPa。鑄鋁活塞體許用彎曲應(yīng)力[σω]≤20 MPa，鑄鋁活塞體轂部許用切應(yīng)力[τ]≤25 MPa，因此鑄鋁活塞體安全可用。

5 結(jié)語(yǔ)

活塞體改造后，可以有效減小氣缸缸套磨損，延長(zhǎng)使用周期，使活塞體在氣缸內(nèi)的平衡度得以保障，保證活塞體平穩(wěn)運(yùn)行，有利于糾正活塞體竄動(dòng)磨損活塞環(huán)和氣缸缸套鏡面，減小機(jī)組振動(dòng)。非金屬活塞環(huán)硬度較低、自潤(rùn)滑性好、摩擦因數(shù)較低、韌性?xún)?yōu)良，對(duì)氣缸缸套磨損較小，強(qiáng)度高、彈性和耐熱性較好、耐磨性?xún)?yōu)良。該改造延長(zhǎng)了機(jī)組的運(yùn)行周期，活塞體、氣缸、活塞環(huán)、支撐環(huán)至少使用8 000 h，同時(shí)減少了備件采購(gòu)費(fèi)用，節(jié)約了檢修人力資源。