13-800-3000型隔膜壓縮機膜片損壞原因及解決方案

萬本軍， 王 敏， 陳功偉， 陸廷雷

(普萊克斯〔廣州〕工業(yè)氣體有限公司 廣東廣州 510700)

普萊克斯(廣州)工業(yè)氣體有限公司瀚陽氫氣工廠(以下簡稱瀚陽氫氣工廠)主要的生產(chǎn)工藝是裂解甲醇制備高純氫氣，氫氣產(chǎn)品一部分通過管道輸送至瀚陽鋼鐵廠，富余的氫氣經(jīng)壓縮機加壓至20 MPa后由魚雷車運輸至各加氫站。瀚陽氫氣工廠采用的壓縮機為美國賓夕法尼亞動力咨詢公司生產(chǎn)的13-800-3000型兩級臥式隔膜壓縮機。在運行過程中，該隔膜壓縮機多次出現(xiàn)級間壓力高的現(xiàn)象，壓縮機出口背壓超過15 MPa時，級間壓力就會快速上升。

1 隔膜壓縮機簡介

因隔膜壓縮機具有污染低、壓縮比高、密封性能好以及設(shè)備運行可靠性高等特點，國內(nèi)外的制氫工廠或氫氣充裝站一般都采用隔膜壓縮機進行加壓和充裝。隔膜壓縮機由液壓系統(tǒng)和氣體壓縮系統(tǒng)組成，通過活塞的往復(fù)運動，推動膜片向氣體側(cè)運動，從而壓縮氣體，將氣體排出。液壓系統(tǒng)由皮帶驅(qū)動的曲軸、連桿、活塞、潤滑主油泵、液壓油注射泵和油壓控制閥、液壓油單向閥等組成，通過液壓油注射泵補充液壓油，保證在整個運行過程中液壓系統(tǒng)充滿潤滑油。在壓縮過程中，液壓油單向閥把液壓油和補充油隔離，避免液壓油回流。油壓控制閥控制液壓釋放壓力，從而形成液壓油系統(tǒng)壓力。

當(dāng)活塞處于近止點時，液壓系統(tǒng)通過液壓油注射泵注滿液壓油，氣體在進口壓力作用下打開進氣單向閥，進入隔膜腔；活塞推動液壓油，再由液壓油推動膜片向缸頭運動，膜片對氣體加壓，當(dāng)壓力高于出口單向閥背壓時，氣體排出，膜片繼續(xù)向缸頭移動；當(dāng)膜片運行至缸體端，活塞繼續(xù)運行到遠止點，液壓油通過油壓控制閥返回曲軸箱，通常液壓油的壓力設(shè)定值比排氣壓力高1.10～1.15倍；當(dāng)活塞到達遠止點往回運動時，余隙氣體和吸入氣體推動膜片向曲軸箱側(cè)移動，完成整個循環(huán)。隔膜壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

2 機組的運行模式

制氫裝置采用的是同型號的2臺隔膜壓縮機并聯(lián)運行，工藝流程簡圖見圖2。

機組于2017年投入運行。在2017—2020年，由于市場原因，裝置負荷較低，2臺壓縮機處于1開1備狀態(tài)，且大部分時間2臺壓縮機都處于停運狀態(tài)。從2020年7月開始，氫氣市場回暖，裝置滿負荷生產(chǎn)，2臺壓縮機實現(xiàn)長周期連續(xù)運行。

3 故障情況

2020年9月，1#壓縮機在運行過程中出現(xiàn)一級出口緩沖罐壓力超壓報警，機組停車。檢查機組運行過程中的壓力曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二級出口背壓高于15 MPa時，一級出口緩沖罐的壓力快速上漲。對比同型號同運行狀態(tài)的2#壓縮機，其一級出口緩沖罐壓力上漲較慢。

4 故障處理

檢查油噴射泵，發(fā)現(xiàn)其彈簧完好，活塞有輕微的磨損，與庫存?zhèn)浼啾?，徑向和端部均有約0.2 mm的磨損。更換了活塞和彈簧，并重新調(diào)整了油噴射泵的安裝尺寸，以確保油噴射量在最大位置。同時對油系統(tǒng)的單向閥進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。在檢查膜片泄漏檢測罐時發(fā)現(xiàn)有液壓油，決定對二級缸頭進行拆檢，檢查二級膜片。

拆檢二級缸頭后發(fā)現(xiàn)膜片破損嚴重，油側(cè)膜片有寬2～3 mm、長約10 mm的破損口，氣側(cè)膜片和中間膜片也存在整圈疲勞區(qū)，寬度為2～3 mm。檢查二級進排氣閥，未發(fā)現(xiàn)異常。本次檢修更換了相關(guān)膜片以及相應(yīng)的O形圈。

檢修結(jié)束后，機組恢復(fù)開車。在運行過程中，機組背壓高于15 MPa時一級出口緩沖罐壓力仍然快速上漲，充裝背壓達到目標(biāo)充裝壓力18.5 MPa時一級出口緩沖罐壓力值略低于報警值，機組故障未得到有效解決，機組帶病運行。

2020年10月13日，現(xiàn)場對機組進行巡檢時再次發(fā)現(xiàn)液壓油從膜片泄漏檢測罐內(nèi)排出，可能二級膜片發(fā)生損壞，機組停車檢修。機組拆檢后發(fā)現(xiàn)，二級膜片再次損壞，且情況與上次相同，3層膜片均出現(xiàn)了環(huán)狀疲勞。比較后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生疲勞的環(huán)狀區(qū)域與配油盤和背板之間的間隙一致，推測膜片與配油盤發(fā)生了碰撞，從而導(dǎo)致膜片疲勞損壞。

分析膜片與配油盤發(fā)生碰撞的原因，初步判定油壓控制閥壓力設(shè)置偏低或油壓控制閥內(nèi)漏。決定更換膜片及相應(yīng)的O形圈，機組開車過程中對液壓油壓力控制閥進行調(diào)校。調(diào)校時發(fā)現(xiàn)油壓控制閥的壓力比廠家推薦的設(shè)定壓力約低1 380 kPa，且油壓控制閥釋放壓力約有138 kPa的波動。

調(diào)校完成后，機組恢復(fù)正常開車，在運行過程中仍存在機組背壓高于15 MPa時一級出口緩沖罐壓力快速上漲，充裝背壓達到目標(biāo)充裝壓力18.5 MPa時一級出口緩沖罐壓力值略低于報警值的情況，機組故障仍未得到有效解決。

2020年11月4日，再次發(fā)現(xiàn)機組的液壓油泄漏緩沖罐內(nèi)有液壓油排出，確定二級膜片再次損壞，機組停車檢修，拆檢后發(fā)現(xiàn)膜片損壞情況與前兩次相同。

拆開活塞組件檢查后發(fā)現(xiàn)，二級活塞部件的活塞環(huán)、支撐環(huán)嚴重損壞，活塞冷卻夾套內(nèi)發(fā)現(xiàn)了較多的雜質(zhì)和污垢。

對二級冷卻夾套進行清洗，更換活塞環(huán)、支撐環(huán)以及相應(yīng)的膜片和O形圈后，機組投入運行，相關(guān)運行參數(shù)平穩(wěn)，一級緩沖罐壓力與同型號同工況的2#壓縮機相近。從2020年11月開車以來，已正常運行5個月，未發(fā)生異常和膜片損壞，機組故障徹底解決。

5 故障原因分析

裝置投入運行前，未對循環(huán)水管進行徹底的酸洗和水洗；裝置投運后，冷卻水管內(nèi)的雜質(zhì)進入壓縮機的冷卻水夾套，使得機組活塞部件未得到有效的冷卻。因活塞環(huán)材質(zhì)為聚四氟乙烯(PTFE)，支撐環(huán)材質(zhì)為聚四氟乙烯聚合物(RULON)，較高的溫度使得活塞環(huán)和支撐環(huán)快速損壞。當(dāng)活塞環(huán)發(fā)生損壞后，在壓縮過程中，液壓油從活塞環(huán)處快速泄漏。由于活塞環(huán)處的泄漏量遠大于油增壓泵的補油量，在背壓較高時活塞回程過程中液壓腔內(nèi)的液壓油不足，高壓氣體推動膜片撞擊配油盤，多次撞擊后導(dǎo)致膜片疲勞損壞。

6 結(jié)語

通過對冷卻水系統(tǒng)進行清洗，同時更換活塞環(huán)和支撐環(huán)，解決了壓縮機膜片頻繁損壞的問題。故障出現(xiàn)的根本原因是在裝置投入運行前，未對冷卻水管道進行徹底的酸洗和水洗，造成運行過程中雜質(zhì)留在機組內(nèi)部，影響活塞環(huán)的使用壽命。