DF5.5/3-250天然氣壓縮機(jī)磨損故障原因

侯全兵 梅 利 張可紅

一、故障現(xiàn)象

三臺(tái)1200m3/h的大排量國(guó)產(chǎn)往復(fù)式壓縮天然氣壓縮機(jī)，于2008年4月開始試運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行300h換潤(rùn)滑油時(shí)，發(fā)現(xiàn)二三級(jí)活塞桿有拉傷現(xiàn)象，運(yùn)行至2058h，二、三級(jí)活塞桿嚴(yán)重拉傷，耗油量增加，隨即更換活塞桿。當(dāng)運(yùn)行至4411h時(shí)，更換后的活塞桿又再次拉傷，且伴隨排量下降，撞擊聲增大，各級(jí)溫度異常。與廠家聯(lián)系后，拆檢機(jī)組。當(dāng)打開一級(jí)進(jìn)氣閥時(shí)，發(fā)現(xiàn)里面有許多直徑10mm左右的黑色顆粒，經(jīng)過分析，確認(rèn)是活塞環(huán)斷裂的殘?jiān)?，隨后對(duì)整機(jī)進(jìn)行拆檢。

一級(jí)活塞環(huán)開口處碎裂，碎裂后的活塞環(huán)顆粒通過一級(jí)平衡腔回到了一級(jí)進(jìn)氣閥處。碎裂的四級(jí)活塞環(huán)在氣缸里磨碎后與潤(rùn)滑油混合，變成黏稠的糊狀物緊貼于各部件表面。一級(jí)活塞環(huán)槽發(fā)生軸向磨損，兩槽之間的凸臺(tái)已不存在。

一級(jí)氣缸內(nèi)表面附著一層黏稠的糊狀物，應(yīng)是活塞環(huán)磨碎后的粉末與潤(rùn)滑油、金屬粉末的混合物。氣缸直徑比標(biāo)準(zhǔn)直徑大5mm左右。在氣缸進(jìn)氣側(cè)有深深的凹坑，坑深大約3mm。

四級(jí)活塞隔環(huán)嚴(yán)重磨損，四級(jí)活塞為組合式，由襯套和隔環(huán)組成。除第八、第九道隔環(huán)輕微磨損外，其他每個(gè)隔環(huán)都有不同程度的磨損，最嚴(yán)重的是第二道隔環(huán)，磨損量2.5mm，其中的活塞環(huán)已經(jīng)碎裂。

機(jī)組連桿大瓦為二層瓦，外層為10號(hào)鋼板，內(nèi)層為巴氏合金。拆下后發(fā)現(xiàn)大瓦內(nèi)表面的巴氏合金已大面積脫落。一四級(jí)連桿小瓦與十字頭銷子燒結(jié)抱死，并在上端出現(xiàn)一裂紋。檢查小頭襯套內(nèi)表面只存在局部擦亮和色變痕跡，無嚴(yán)重擦傷和磨損現(xiàn)象。

一四級(jí)同一活塞桿，二三級(jí)同一活塞桿，運(yùn)行期間活塞桿多次拉傷，拆檢下來看，不但圓周方向拉傷，還存在表面脫皮現(xiàn)象。

二、故障原因分析

1.活塞桿多次拉傷的原因

活塞桿材料為40Cr鋼，按照廠家提供的使用說明書，該機(jī)組的兩根活塞桿采用表面熱處理為高頻淬火，根據(jù)正常熱處理工藝，高頻淬火后的零件表面硬度可達(dá)55HRC以上，活塞桿工作段若與銅質(zhì)的刮油環(huán)相配合，活塞桿是不應(yīng)該被刮油環(huán)拉毛，出現(xiàn)拉傷現(xiàn)象。拆檢過程中，根據(jù)活塞桿的表面顏色與脫皮現(xiàn)象，可以判斷，該機(jī)組活塞桿不是采用的高頻淬火，而是表面鍍硬鉻。鍍鉻處理的不合格造成活塞桿的多次拉毛與表皮脫落現(xiàn)象。

2.活塞環(huán)槽軸向磨損原因

通常情況下，活塞的使用壽命取決于活塞環(huán)槽的磨損量，特別是第一道環(huán)槽的磨損量。在活塞上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，活塞環(huán)不斷地撞擊活塞環(huán)槽，引起環(huán)槽平面的磨損。鋁合金的機(jī)械強(qiáng)度隨著溫度的升高而急劇降低，所以鋁活塞環(huán)槽磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄鐵活塞或鋼活塞。

機(jī)組一級(jí)活塞采用鋁質(zhì)活塞，一級(jí)活塞環(huán)采用PTFE材料，兩種材料匹配性不好，設(shè)計(jì)時(shí)膨脹量沒有計(jì)算好，造成運(yùn)行過程中活塞環(huán)與活塞環(huán)槽側(cè)的軸向間隙增大，活塞環(huán)在槽中相對(duì)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)、徑向、回轉(zhuǎn)、扭曲。隨著溫度的升高，活塞頭和活塞環(huán)槽發(fā)生變形，活塞材料性能下降，環(huán)與環(huán)槽之間的油膜被破壞，加速了環(huán)槽的磨損。環(huán)槽的磨損使其與活塞環(huán)的配合間隙增大，活塞環(huán)的密封性也隨著下降，會(huì)產(chǎn)生漏氣，壓力降低。高壓氣體將活塞環(huán)壓向氣缸壁，致使活塞環(huán)折斷?；钊h(huán)槽的磨損使活塞環(huán)槽截面形狀由矩形變?yōu)樘菪位虺霈F(xiàn)磨臺(tái)，直至將環(huán)槽凸臺(tái)磨完。同樣的道理，四級(jí)活塞、活塞環(huán)的磨損以第一第二道活塞環(huán)槽為重為快。

3.連桿瓦損壞原因

（1）合金疲勞。軸瓦在工作過程中承受著油膜壓力、摩擦、彎曲、振動(dòng)等交變載荷，軸瓦耐磨合金容易疲勞，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生微裂紋，并以由慢到快的速度沿著最大切應(yīng)力方向由表面向內(nèi)部擴(kuò)展，機(jī)油滲入裂紋中后對(duì)裂紋產(chǎn)生較大的交變擠壓作用，加速了裂紋的擴(kuò)展，逐漸發(fā)展呈“網(wǎng)狀龜裂”，當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到巴氏合金與鋼坯的結(jié)合面并彼此相遇時(shí)，巴氏合金層出現(xiàn)小塊剝落，最終導(dǎo)致了軸瓦大塊剝落。曲柄銷的形位誤差與表面精度未超標(biāo)，并且安裝、備件質(zhì)量、潤(rùn)滑油均符合要求，連桿瓦失效的主要原因是合金疲勞。

（2）潤(rùn)滑不良。軸瓦與曲柄銷之間的潤(rùn)滑屬于動(dòng)壓潤(rùn)滑，在正常情況下處于完全液體摩擦狀態(tài)，兩者表面被潤(rùn)滑油層完全分隔開，曲柄銷或十字頭銷依靠油膜層“托付”在連桿瓦表面上，此時(shí)，軸瓦與曲柄銷或十字頭銷的摩擦阻力小，磨損小。但當(dāng)油質(zhì)變差，油壓下降時(shí)，有可能破壞完全液體摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致潤(rùn)滑不良。首先，該機(jī)組啟動(dòng)過程中，油箱中的潤(rùn)滑油被加熱黏度較小，而濾清器后面油管中的潤(rùn)滑油黏度較大，造成啟機(jī)時(shí)濾清器前后壓力差較大，使濾清器瞬間崩裂，濾清器多次的瞬間崩裂，使傳動(dòng)部件各摩擦副處于干摩擦或半干摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致摩擦副一定程度的磨損。其次，活塞、活塞環(huán)、缸套嚴(yán)重磨損，大量的金屬屑、PEEK粉末聚集在油底殼內(nèi)，這些雜質(zhì)進(jìn)入油中將導(dǎo)致摩擦副的磨粒磨損，摩擦副的磨損進(jìn)一步引起潤(rùn)滑油品質(zhì)下降，油品品質(zhì)變差，黏度下降。黏度下降致使供油壓力不足，這樣會(huì)引起軸瓦與曲柄銷之間的最小油膜厚度變小或油膜破裂，油膜厚度變小后可能小于半干摩擦的油膜厚度，使兩者發(fā)生半干摩擦，油膜破裂易使軸瓦表面產(chǎn)生咬粘，并由此造成的傷痕會(huì)成為巴氏合金層新的裂紋源。再者，該機(jī)組在拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，脫落的巴氏合金粉末完全堵塞了連桿大瓦通往小瓦的油道，使得小瓦與十字頭銷子處于干摩擦狀態(tài)，摩擦副的干摩擦產(chǎn)生大量的熱，使連桿小瓦（銅套）溫度急劇升高。當(dāng)達(dá)到一定得程度，小瓦就出現(xiàn)了裂紋。

（3）軸瓦制造質(zhì)量。巴氏合金層與鋼殼結(jié)合不牢固，合金層的裂紋、劃傷、氣孔、夾雜等缺陷均是應(yīng)力集中源，降低了抗疲勞強(qiáng)度，引起大頭瓦巴氏合金裂紋、脫落。

4.缸套磨損原因

（1）磨料磨損是缸套磨損的主要原因。機(jī)組一級(jí)缸套的材料采用的是HT250，這種材料的特性是強(qiáng)度高、耐磨性好，正常情況下是使用氣缸的最佳材料。但該機(jī)組出現(xiàn)了活塞、活塞環(huán)的異常磨損，磨下來的粉末（鋁合金粉末、PEEK粉末等）與潤(rùn)滑油混合，形成一種黑而粘稠的的混合物，緊緊貼合在缸套的內(nèi)壁與活塞環(huán)的外壁，在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，這種混合物就像磨料一樣，加速了缸套的磨損。

（2）安裝精度不夠是缸套磨損的另一原因。機(jī)組為單作用活塞式D型壓縮機(jī)，活塞桿、缸套較長(zhǎng)，缸體笨重，只靠一級(jí)缸體、四級(jí)缸體上的止口定位，而止口定位，對(duì)螺栓的力矩要求又相對(duì)較高，對(duì)該機(jī)組來說，機(jī)體與一級(jí)缸體的聯(lián)接螺栓因沒有操作空間，無法用力矩扳手對(duì)螺栓的力矩進(jìn)行控制，故不能保證各力矩的大小一致。也就是說，不能保證缸筒與活塞桿的同心度，這也是一級(jí)缸筒偏磨的原因之一。

（3）未安裝支撐環(huán)也是缸套磨損的原因之一。一、二級(jí)活塞上未安裝支承環(huán)，只靠三、四級(jí)上的支撐環(huán)很難保證一四級(jí)、二三級(jí)缸筒的同心度。缸筒的不同心，缸筒與活塞桿的不同心，造成活塞桿的嚴(yán)重偏磨。

三、排除故障

通過對(duì)DF5.5/3-250往復(fù)式CNG壓縮機(jī)故障的原因分析，對(duì)有所有產(chǎn)生故障的因素逐一排除，最終使該機(jī)組正常運(yùn)行。