往復活塞式壓縮機余隙活塞損壞原因分析與改進措施

王建鑫

（中國石油天然氣股份有限公司吐哈油田公司鄯善采油管理區(qū)基建設備中心，新疆 吐魯番 838202）

某油田采油管理區(qū)主要是集油氣開采及天然氣處理為主的油氣生產(chǎn)單位，開采方式為衰竭性開采。隨著天然氣的不斷開采，地層壓力逐年下降。實施氣田降壓開采項目以來，往復活塞式壓縮機便成為地面增壓的關鍵設備，采油管理區(qū)接近2/3的天然氣產(chǎn)量來自原料氣壓縮機增壓。目前聯(lián)合站及輕烴氣處理裝置運行的各類壓縮機組接近百余臺套，2015年因工藝需要又在聯(lián)合站和輕烴氣處理裝置先后新增引進安裝了4臺往復活塞式原料氣壓縮機組，機組的型號分別為4CFB和CFC/2，作用是將低壓原料氣通過壓縮機組逐級增壓后輸送到氣處理裝置進行工藝處理，脫除天然氣中的部分重烴和水分。機組投運后在日常保養(yǎng)和三保過程中均發(fā)現(xiàn)這幾臺機組的一、二級活塞和活塞組件都有不同程度的異常磨損和損壞。期間在2016年3月30日19:04，1#輕烴氣處理裝置的7#原料氣壓縮機組的一級壓縮4#缸排氣溫度高聯(lián)鎖停機，機組故障停機后經(jīng)過設備技術維修人員的維修解體，發(fā)現(xiàn)機組的4#壓縮缸余隙活塞損壞斷成3塊。此次設備損壞事件的發(fā)生，嚴重影響了設備的安全平穩(wěn)運行。

1 往復活塞式壓縮機組技術參數(shù)

7#原料氣壓縮機組采用發(fā)動機進口、其余國內(nèi)配套生產(chǎn)；天然氣發(fā)動機驅(qū)動，2級壓縮，整體撬裝結構；壓縮機和天然氣發(fā)動機置于一個撬座上，通過彈性聯(lián)軸器連接；空冷器總成置于另一個撬座上；天然氣發(fā)動機采用美國卡特彼勒公司的G3608型天然氣發(fā)動機，額定功率1767kW，工作轉速1000rpm，4沖程，直列8缸，渦輪增壓，中冷；壓縮機采用關鍵件進口配套生產(chǎn)的4CFB天然氣壓縮機，4列4缸；最大機身功率1150kW，最高轉速1200rpm，4CFB系列壓縮機為臥式對置平衡式分布型往復活塞式壓縮機，二級壓縮，處理量30萬方/天，中體及壓縮缸全部水平裝于機身兩側，往復慣性力和力矩可以完全平衡，平衡性好，振動小，運轉平穩(wěn)。一級壓縮采用2只φ560mm雙作用壓縮缸，二級壓縮采用2只φ345mm雙作用壓縮缸；采用上進下出的進排氣方式。一、二級壓縮缸配置有可調(diào)余隙裝置，用于對機組運行工況進行調(diào)節(jié)；排氣量采用無級調(diào)節(jié)余隙容積和調(diào)整發(fā)動機轉速的方法調(diào)節(jié)，滿足單機排氣量的要求。機組冷卻系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，冷卻采用組合式空冷器冷卻，用于冷卻工藝氣、發(fā)動機夾套、發(fā)動機中冷器、發(fā)動機潤滑油、壓縮機潤滑油。立式翅片管束，空冷器由單獨防爆電機驅(qū)動機組按美國API-11P和API-618標準和規(guī)范，配置相應的通訊接口，具備數(shù)據(jù)遠傳的條件,壓縮機、發(fā)動機配置油水外循環(huán)加熱器和補充油箱，適應低溫工作環(huán)境，可實現(xiàn)潤滑油自動補油；工藝氣的進氣和排氣，燃料氣和啟動氣的進氣，壓縮機、洗滌罐、安全閥的排污或放空。機組的啟動方式為馬達啟動，啟動氣壓力為：0.621～1.0MPaG。機組主要組成部分：a、主機（發(fā)動機-壓縮機）；b、潤滑系統(tǒng)；c、冷卻系統(tǒng)；原料氣壓縮機組工藝流程：工藝氣進氣→一級進氣分離器→一級進氣緩沖罐→一級560mm壓縮缸→一級排氣緩沖罐→一級冷卻器→二級進氣分離器→二級進氣緩沖罐→二級345mm壓縮缸→二級排氣緩沖罐→二級冷卻器→經(jīng)排氣管排出到用戶≤50℃。壓縮機主機平面布置示意圖如圖1，其技術參數(shù)見表1～3。

表1 原料氣壓縮機技術參數(shù)

表3 原料氣壓縮機組外形尺寸及重量

圖1 G3608/4CFB天然氣發(fā)動機-壓縮機主機平面布置示意圖

2 往復活塞式壓縮機余隙活塞損壞及活塞磨損的原因分析

針對7#原料氣壓縮機組出現(xiàn)的一級壓縮4#缸排氣溫度高聯(lián)鎖停機這一現(xiàn)象分析：正常各工況點各級排氣溫度為120℃左右，最高排氣溫度高報值為140℃，符合API618標準“排氣溫度應不超過150℃”的規(guī)定。超過這個溫度，從保護設備的角度出發(fā)，控制上設置了機組聯(lián)鎖停機高高報。從當日的工藝操作分析設備不存在超溫和超壓運行，因此排除該壓縮缸溫度高聯(lián)鎖停機的工藝勿操作因素。最后，安排設備維修人員打開該缸的缸蓋解體檢查活塞及活塞組件，檢查中發(fā)現(xiàn)了一級壓縮4#氣缸余隙活塞斷裂成3塊、活塞及活塞組件支撐環(huán)和活塞環(huán)嚴重磨損存在直接撞缸的事故現(xiàn)象，因此，該機組壓縮端4#氣缸排溫高聯(lián)鎖停機的真正原因得以確定。

2.1 活塞及活塞桿組件結構

損壞的一級4#氣缸活塞為中碳合金鋼鍛造精密加工而成，摩擦段表面氮化處理，具有很高的耐磨性能，兩端螺紋滾壓成形，疲勞強度高?；钊麠U臺肩與墊圈、墊圈與活塞、活塞與活塞螺母涂色檢驗并研磨貼合，螺母擰緊后彎曲應力小。

在任何操作工況下，最大活塞桿負荷小于最大允許活塞桿負荷的80%，具有足夠的強度和剛度，且力求重量輕，以減少往復慣性力。活塞直徑φ560mm，為兩個半體結構，通過活塞桿φ78mm連接，外加6根φ12mm活塞連接螺栓加強?；钊麅蓚€半體由定位銷定位。活塞半體內(nèi)部各有6條加強筋，活塞外部填充聚四氟乙烯活塞環(huán)3副和2副支撐環(huán)。活塞及活塞桿組件結構示意圖如圖2。

圖2 活塞及活塞桿組件結構示意圖

2.2 余隙活塞桿組件結構

損壞的一級余隙活塞直徑φ457.20mm，為鑄鐵材質(zhì)，內(nèi)部有6條加強筋，余隙活塞桿與余隙活塞通過螺紋連接，扭矩2700∽3000N·m，擰緊后劈去露出余隙活塞端面的余隙活塞桿部分，在螺紋騎縫處鉆孔攻絲配騎縫螺釘，騎縫螺釘涂樂泰271螺紋鎖固膠，并在騎縫螺釘處沖眼。余隙活塞結構示意圖如圖3。

圖3 余隙活塞結構示意圖

2.3 余隙活塞現(xiàn)場損壞情況

余隙活塞組件的損壞情況是余隙活塞與活塞整體斷開，余隙活塞桿螺紋部分損傷，騎縫螺釘斷離，余隙活塞沿中線向四周開裂如圖4、圖5所示。

圖4 余隙活塞斷裂現(xiàn)場圖片

圖5 余隙活塞桿組件結構示意圖

2.4 事件發(fā)生過程分析

通過調(diào)取余隙活塞損壞事件發(fā)生時狀態(tài)曲線，事件整個過程大概持續(xù)約3分鐘，在仔細比對現(xiàn)場損壞情況后，事件發(fā)生過程和原因分析如下。

過程：余隙活塞在交變氣體力載荷和振動的作用下，在余隙活塞的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)開裂。

余隙活塞主要承受氣體力交變載荷，加上往復式壓縮機的振動較其他類型的機組要大，在機組運行過程中，余隙活塞與余隙活塞桿上的騎縫螺釘出現(xiàn)松動，影響到余隙活塞桿與余隙活塞松動，在交變氣體力載荷和振動的作用下，在余隙活塞的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)開裂。

2.5 事件的結論

余隙活塞和余隙活塞桿的螺紋扭矩連接設計不合理，容易出現(xiàn)余隙活塞松動的情況。余隙活塞采用的鑄鐵材質(zhì)，從余隙活塞沿中線向兩端發(fā)散開裂的現(xiàn)象看，可以判斷余隙活塞的強度不夠。

2.6 改進措施

（1）新余隙活塞結構的改進如圖6、圖7。

圖6 新余隙活塞桿組件結構示意圖

圖7 舊余隙活塞桿組件結構示意圖

（2）采用整體設計，取消余隙活塞桿與余隙活塞間螺紋連接。

（3）余隙活塞整體采用42CrMo鍛造，替換之前鑄造活塞，提高強度。

（4）活塞圓盤與活塞桿之間錐形過渡，提高剛度。

余隙活塞主要承受氣體力交變載荷，采用類比設計，確保鋼制活塞端面厚度與鑄件活塞厚度相當，滿足設計要求。

3 結語

通過對4CFB型往復活塞式壓縮機的活塞及余隙活塞的升級改進，機組在后期的運行中安全可靠性大大提高，壓縮機組經(jīng)過7000小時的運行，我們及時安排維修人員對該型號壓縮機的余隙活塞和氣缸活塞解體，檢查余隙活塞、活塞及活塞組件的磨損狀況，通過現(xiàn)場測量和對比沒有發(fā)現(xiàn)改進后的余隙活塞和活塞及組件有異常磨損和損壞，徹底消除了這兩個型號的往復活塞式壓縮機的活塞及組件磨損和余隙活塞損壞造成的設備事故風險。同時此項升級也應用到了其他三臺機組上。提高了壓縮機的組運行可靠性和安全性，保障了油氣生產(chǎn)和輕烴氣處理裝置的平穩(wěn)運行。