燃料氣壓縮機活塞環(huán)、支撐環(huán)磨損原因分析和整改措施

楊坤濤

（山西潞安化工集團煤基清潔能源有限公司，山西 長治 046299）

1 簡介

該機組是沈陽鼓風(fēng)機制造，產(chǎn)品名稱：4M40-365/3.7-BX 燃料氣壓縮機，屬于對稱平衡往復(fù)式壓縮機，壓縮機共有四個缸共兩級。運行參數(shù)如表1所示。從檢修上來看，2019 年9 月份、10 月份，該機組一級更換活塞環(huán)、支撐環(huán)共4 次。其中更換材質(zhì)兩次和氣閥更換一次。這造成了生產(chǎn)延誤、增加維修量以及備件更換，造成較大的經(jīng)濟損失。分析原因并解決此問題對于節(jié)能降耗、提質(zhì)增效有較大的經(jīng)濟效益。

表1 往復(fù)式壓縮機C302A 各項參數(shù)

2 機組故障、現(xiàn)象

壓縮機故障現(xiàn)象為一級氣閥排氣溫度高，排氣量不足，振動大。經(jīng)檢查排氣閥發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有很多活塞環(huán)、支撐環(huán)碎屑。拆開氣缸發(fā)現(xiàn)支撐環(huán)、活塞環(huán)磨損和部分活塞環(huán)出現(xiàn)脹死且鏡面間隙只有0.4 mm 左右，其中有一個氣缸出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象。

3 原因分析和解決措施

故障原因可能有以下幾點：

1）機組自身問題。機組在長期運行后導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生變化，導(dǎo)致十字滑道和氣缸同心度發(fā)生改變，導(dǎo)致活塞環(huán)、支撐環(huán)安裝后發(fā)生偏磨；安裝尺寸不合適，維修工不熟練，在安裝活塞環(huán)、支撐環(huán)時軸向間隙、開口間隙等不符合要求，導(dǎo)致其發(fā)生脹死、磨損現(xiàn)象。

2）工藝流程及介質(zhì)問題。工藝介質(zhì)不干凈，含有大顆粒進而活塞環(huán)、支撐環(huán)軸向間隙中，或者與油混合在一起形成油泥，大大加速磨損；其他工藝設(shè)備出現(xiàn)問題，導(dǎo)致介質(zhì)水分較大，氣缸內(nèi)積聚成水，形成液擊導(dǎo)致機體振動增大[1]。

3）氣缸內(nèi)套材質(zhì)與活塞環(huán)和支撐環(huán)材質(zhì)強度不一樣，活塞環(huán)、支撐環(huán)硬度不夠?qū)е缕淠p甚至斷裂。

現(xiàn)對以上問題進行分析處理，活塞環(huán)、支撐環(huán)抱死現(xiàn)象，如圖1 所示。

圖1 活塞環(huán)、支撐環(huán)抱死現(xiàn)象

3.1 機組安裝問題

用水平儀測量分別測量十字頭滑道和氣缸的水平度，曲軸箱側(cè)為正，氣缸蓋側(cè)為負(fù)。測量結(jié)果，如表2 所示。其結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)不會對活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損有影響。針對檢修質(zhì)量問題，每次回裝支撐環(huán)、活塞環(huán)軸向間隙、開口間隙、徑向間隙、活塞桿跳動值等數(shù)據(jù)檢查均符合要求，且檢修質(zhì)量驗收均合格，不是磨損、脹死的問題。

表2 壓縮機氣缸水平度測量結(jié)果mm

3.2 工藝流程和介質(zhì)問題

工藝介質(zhì)的氣體成分比例見下頁表3。如果是工藝氣體中有雜質(zhì)顆粒與潤滑油、潤滑油與活塞環(huán)和支撐環(huán)磨損結(jié)合形成油泥，油泥夾雜在活塞與鏡面之間的隔膜中，增大了摩擦系數(shù)，加劇了活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損，油泥還會夾雜在環(huán)槽內(nèi)，減少了軸向間隙，側(cè)面壓力增大會加快側(cè)面磨損，這些會導(dǎo)致活塞環(huán)、支撐環(huán)的抱死現(xiàn)象[2]。通過檢查管道濾網(wǎng)發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)有破損，通過更換濾網(wǎng)、加大濾網(wǎng)目數(shù)，每次檢修發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)較臟。檢修中發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)有積水、水垢現(xiàn)象，懷疑介質(zhì)水分較大，長期運行在氣缸內(nèi)形成積水形成液擊和結(jié)垢現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸振動大的原因，也可能是磨損大的原因。由于此往復(fù)式壓縮機是有油潤滑，油與介質(zhì)氣體中的雜質(zhì)形成油泥，油和油泥都將改變摩擦系數(shù)有改變，故將注油速度由10 滴/min～20 滴/min 之間逐漸改變。實驗證明改變注油速度對壓縮機磨損沒有改變，油多了反而形成氣缸積油加劇了磨損現(xiàn)象。

表3 介質(zhì)成分及比例

3.3 氣缸內(nèi)套、活塞環(huán)、支撐環(huán)材質(zhì)問題

解決振動大的問題之后，活塞環(huán)磨損、脹死、斷裂問題依然沒有徹底解決，根源沒有找到。氣缸為內(nèi)套和殼體兩部分組成，每次檢修發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)套無損壞，活塞環(huán)、支撐環(huán)磨損嚴(yán)重且出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象；檢查活塞環(huán)槽磨損情況發(fā)現(xiàn)，活塞環(huán)槽也沒有明顯變化，最大環(huán)槽磨損寬度變化在0.1 mm 且在要求范圍以內(nèi)。對于活塞環(huán)脹死現(xiàn)象，懷疑是活塞環(huán)膨脹量大，將活塞環(huán)的軸向間隙標(biāo)準(zhǔn)為0.24 mm～0.367 mm，將軸向間隙調(diào)整到0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm，開口間隙放大到10 mm。經(jīng)過運行一段時間發(fā)現(xiàn)，間隙大的沒有出現(xiàn)脹死的，但是依然有斷裂、磨損嚴(yán)重現(xiàn)象，改變軸向間隙只能影響其膨脹量帶來的脹死問題，但不是主要原因。從檢查結(jié)果分析活塞和缸套的材質(zhì)和硬度符合要求，唯一存在的原因是活塞環(huán)的材質(zhì)出現(xiàn)問題。于是懷疑是原沈鼓隨機組帶的備件問題，因為活塞環(huán)和支撐環(huán)均為填充聚四氟乙烯，填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加石墨、銅粉、玻璃絲等元素，改善聚四氟乙烯的硬度高、潤滑等特性。在填充的元素不同、比例不同，填充聚四氟乙烯的物理性能和機械性能也有所不同[3]?；钊h(huán)的材質(zhì)較軟，潤滑油和介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒混合形成的油泥，影響摩擦面的摩擦系數(shù)，加上膨脹量大，會出現(xiàn)偏磨、脹死現(xiàn)象，長時間偏磨就會出現(xiàn)活塞環(huán)斷裂的情況，進而事故頻發(fā)。

4 采取具體措施

通過3.2 敘述中可知，氣缸積液是水氣分離器泄漏原因，導(dǎo)致氣體中有水蒸氣比例增大，在氣缸和緩沖罐中形成積液病出現(xiàn)液擊現(xiàn)象，所以氣缸振動大，通過對水氣分離器漏點處理成功解決這一問題，但振動大不是活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損、脹死的原因。通過原因分析知道決定活塞環(huán)、支撐環(huán)磨損主要有兩個因素影響：一個摩擦副的摩擦系數(shù)的改變，一個是材質(zhì)本身的機械和物理性能。

4.1 改變摩擦系數(shù)

影響摩擦系數(shù)的因素有很多，主要有氣缸缸套的表面粗糙度、潤滑油、介質(zhì)氣體的純凈度。

氣缸缸套的表面粗糙度越低，活塞環(huán)、支撐環(huán)與缸套摩擦中顆粒數(shù)大大降低，摩擦力也越小，活塞環(huán)的受力程度也小，損耗程度以及斷裂的可能性也大大降低。

潤滑油主要起到潤滑作用，將活塞環(huán)、支撐與缸套鏡面環(huán)形成油膜，將二者的硬摩擦改變?yōu)榕c油膜的摩擦。檢查注油器，定期清理和更換油脂，長時間使用的注油器，注油器油中的可能有焦炭和反應(yīng)的催化劑，二者進入氣缸易形成雜質(zhì)顆粒依附在油膜中，加速活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損[4]。

介質(zhì)氣體如不干凈，其中的雜質(zhì)顆粒與潤滑油結(jié)合形成油泥，依附在活塞環(huán)、支撐環(huán)的軸向間隙和氣缸的鏡面間隙中，鏡面間隙中油泥混合在油膜中，增大了摩擦系數(shù)，加速活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損，軸向間隙中的油泥不僅加劇活塞環(huán)與環(huán)槽的磨損，使環(huán)槽變寬，而且油泥進入側(cè)面，變相的軸向間隙減小，活塞環(huán)受熱膨脹，容易與環(huán)槽脹死，加劇磨損甚至斷裂。因此通過工藝分廠人員進行氣體調(diào)整和增加管道濾網(wǎng)的目數(shù)，提高氣體的純凈度，減少油泥的形成。在檢修中通過改變以上三方面，大大降低了活塞環(huán)、支撐環(huán)的更換次數(shù)，但脹死現(xiàn)象依然會發(fā)生，活塞環(huán)、支撐環(huán)使用壽命仍低于正常要求。

4.2 改變活塞環(huán)、支撐環(huán)的材質(zhì)

通過檢修不斷實踐和論證，活塞環(huán)、支撐環(huán)為填充聚四氟乙烯，材質(zhì)的硬度與缸套的硬度相差太大，即活塞環(huán)、支撐環(huán)較軟，填充聚四氟乙烯根據(jù)其自身填充物的成分、比例不同，呈現(xiàn)的物理和機械性能不同，隨即聯(lián)系新廠家，根據(jù)圖紙和測量尺寸、工藝參數(shù)、氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)和缸套的硬度等制作一批活塞環(huán)、支撐環(huán)，主要只有提高了活塞環(huán)、支撐環(huán)的硬度，減小了活塞環(huán)、支撐環(huán)在工作狀態(tài)下的膨脹量。安裝定制的活塞環(huán)、支撐環(huán)后，機組運行一個月排氣量、排氣溫度正常，氣缸無雜音，停機檢修發(fā)現(xiàn)，活塞環(huán)、支撐環(huán)無脹死、斷裂現(xiàn)象，支撐環(huán)最大磨損0.2 mm，活塞環(huán)最大磨損0.12 mm。這就證明之前原廠帶的備件材料膨脹系數(shù)與機組的工藝現(xiàn)狀不符合，活塞環(huán)、支撐環(huán)的硬度與缸套的硬度不匹配導(dǎo)致，只有材料硬度的匹配、熱膨脹系數(shù)才是活塞環(huán)、支撐環(huán)磨損的根本原因。

5 結(jié)語

從檢修中發(fā)現(xiàn)，該機組振動大的原因是由于工藝流程中水汽分離器存在漏點，導(dǎo)致介質(zhì)中水氣大形成積液產(chǎn)生液擊導(dǎo)致，漏點處理完成振動值在范圍要求內(nèi)，活塞環(huán)、支撐環(huán)依然脹死、磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，所以振動大不是活塞環(huán)、支撐環(huán)磨損的原因。

通過工藝操作人員對介質(zhì)氣體進行調(diào)整以及增加管道濾網(wǎng)目數(shù)，提高了介質(zhì)的純凈度，大大減少了介質(zhì)中雜質(zhì)顆粒，同時加強對注油器的清理，減少潤滑油中的焦油。從而減少了油泥的形成，對活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損有一定的減緩作用，但不是根本原因。

通過技改活塞，將支撐環(huán)從120°單片式改為整圈，減少了備件更換次數(shù)，沒有改變脹死、磨損情況。

從設(shè)備檢修不斷進行試驗和分析發(fā)現(xiàn)，在此工藝條件下活塞環(huán)、支撐環(huán)的熱膨脹系數(shù)不符合設(shè)備要求，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)活塞環(huán)脹死現(xiàn)象?；钊h(huán)、支撐環(huán)的硬度不足，通過對該工藝條件和氣缸內(nèi)套硬度進行計算定制專用的活塞環(huán)、支撐環(huán)，減小了膨脹系數(shù)、提高了硬度，從根本上解決了活塞環(huán)、支撐環(huán)磨損情況。