往復活塞式壓縮機故障機理分析

王雁飛

（山西潞安煤基合成油有限公司，山西　長治　046100）

往復活塞式壓縮機故障機理分析

王雁飛

（山西潞安煤基合成油有限公司，山西長治046100）

摘要：隨著國民經濟持續發展，石油天然氣等能源需求缺口不斷加大，供需矛盾進一步突出，加快國內外油氣資源勘探開發和提高國內煤層氣資源利用是解決能源供需矛盾非常現實而有效的途徑。文章以DF-5/10-40型煤層氣壓縮機為基礎，詳細介紹了其結構和工作原理，并對常見故障的機理進行了分析，以期拋磚引玉。

關鍵詞：往復活塞式；壓縮機；故障

煤層氣田由單井采出的煤層氣需通過集氣站集氣后集中輸送、凈化處理所帶水分和固體雜質、增壓處理等環節以滿足外輸要求。往復式壓縮機屬于容積式壓縮機，通過曲軸和連桿使活塞在氣缸中做往復運動來實現氣體的壓縮。但就目前的使用情況看，它雖屬于最原始的壓縮機之一，仍是非常通用的一種壓縮機。往復式壓縮機適用壓力范圍廣，不論流量大小，均能達到所需壓力；能適應較大的壓力范圍且排氣范圍也較廣，往復式壓縮機對材料要求也不高，機身多用造價低廉的普通鋼鐵材料，裝置系統比較簡單，可維修性強；熱效率高，單位耗電量少；技術上較為成熟，生產上積累了豐富的經驗。

1　往復式壓縮機的結構

該往復式壓縮機為兩級壓縮，主要由傳動機構和氣缸組成。傳動機構主要是指運動部件，包括原動機、曲軸、連桿、活塞等，其作用是連接基礎部件與氣缸部分以傳遞動力。

壓縮機的原動機為壓縮機提供能量，該壓縮機原動機為電動機。電動機與壓縮機采用三角皮帶連接傳動，這樣能減少震動提高傳動效率。曲軸是壓縮機的重要工作部件之一，它負擔傳遞全部驅動扭力。十字頭連接連桿與活塞桿，連桿是將曲軸的旋轉運動通過十字頭轉化為活塞的往復運動，同時將作用在活塞上的推力傳給曲軸。活塞在汽社內往復直線運動，活塞的頭部切有裝活塞環的槽，用于安裝密封環和刮油環，從而起到密封的作用，活塞桿的尾部裝有填料函，填料函組件作用是阻止氣缸內氣體沿氣缸與運動著的活塞桿外圓面的間隙向外泄露。機體又稱機身或曲軸箱，是安裝曲軸，缸體等部件的基礎零件。氣缸是活塞式壓縮機中形成壓縮溶劑的主要部件，包括缸體和缸蓋。進氣閥和排氣閥是控制氣缸吸氣和排氣過程的部件，目前壓縮機主要采用的是隨管路壓力變化而自行開閉的自動缸。中間冷卻系統是保證分級壓縮達到節省功率消耗的關鍵。

2　往復式壓縮機的工作原理

往復式壓縮機工作時，其電動機帶動曲軸旋轉，通過十字頭變成活塞的往復運動。十字頭帶動活塞桿，使活塞桿在氣缸內隨之作往復運動。活塞在汽缸內每做一次往復運動，壓縮機就完成一次循環運動，一次循環包括膨脹、吸入、壓縮、排氣四個過程。電機不斷旋轉使壓縮氣體不斷吸入、排出。（如圖1）

A—B是膨脹過程：在A點排氣完畢后，活塞位于氣缸左止點，排氣閥關閉，曲軸旋轉角度為0度。此時壓力為排氣壓力Pd，氣缸頭端余隙內殘留的余隙氣體膨脹，在曲軸旋轉的帶動下，活塞向右運動的同時，氣體在膨脹的過程中壓力減小，即曲線A-B段所示，活塞運動到B點時，缸內氣體與缸外氣體達到平衡狀態，膨脹過程完畢。

B—C是吸氣過程：缸頭端氣體力減小到足以使吸氣閥打開的狀態，達到吸氣壓力Ps，從B點開始，吸氣腔內氣體進入缸體，曲軸繼續轉動，活塞也隨之右行到右止點C，到達C點時，缸頭端的容積達到最大，缸頭端內充滿氣體，吸氣完成。

C—D是壓縮過程：曲軸繼續轉動，活塞由右止點C向左運動，這時吸氣閥關閉，隨著活塞繼續向左運動，缸頭端內的氣體受到壓縮體積減小，壓力相應增大。直到活塞運動到D點，缸頭端內的氣體壓力達到排氣壓力Pd，為最大氣體壓力。

D—A是排氣過程：到達D點后，伴隨著活塞向右移動，氣體壓力增大，排氣閥在氣體壓力的作用下被頂開，氣體不斷進入排氣腔內，從而被排出。當活塞運動到左止點A時，缸頭端的容積達到最小，但是不是零，因為缸頭端內還殘留一部分氣體，此時氣體壓力是排氣壓力Pd。

壓縮機做一次往復運動的四個過程中，壓縮過程與膨脹過程都是熱力過程，吸氣和排氣過程不屬于熱力過程范疇。因為在壓縮與膨脹時，氣體的質量沒有發生變化，只是氣體的狀態和參數改變了，屬于等溫過程、絕熱過程或者多變過程。而吸氣和排氣過程氣體的質量發生了變化，所以是一個質量遷移過程。

3　往復式壓縮機常見故障分析

DF-5/10-40型往復式壓縮機運行過程中的故障多樣且復雜：一類是流體性質的故障，屬于機器熱力性能故障，主要表征為壓縮機工作時排氣不足，排氣壓力溫度及級間壓力溫度的異常。一類是機械性能故障，主要表征為往復式壓縮機的過熱，振動等。往復式壓縮機故障多發的部位主要是下列三部分：①動力傳遞部分——曲軸、連桿、十字頭、活塞桿部件故障。②缸體部件——進氣閥、排氣閥、氣社、填料、活塞環等部位的故障。③輔助部分——主要是中間冷卻器的故障。

（1）吸排氣閥漏氣往復式壓縮機中，氣閥的故障率最高，通常往復式壓：縮機有60％以上的故障發生在氣閥上。氣閥一旦發生故障，會影響到壓縮機的產氣量，增加功率損耗，降低可靠性。氣閥主要由彈簧、陶片、閥座、升程限制器組成；閥片在兩邊壓差的作用下開啟，在彈賛作用力下關閉，是氣閥的關鍵部件；彈賛是為了緩沖閩片與閥蓋的撞擊。

（2）活塞組件及氣缸故障此部分故障占重大事故的25％左右，填料函屬于壓縮機的密封元件，由一系列密封環組成，它一方面阻止外界氣流沿活塞桿進入缸體內，同時也限制氣缸內的氣體順著活塞桿向缸外泄漏進入大氣。填料函泄漏會使壓縮機的生產能力下降，排氣量減少。活塞桿可能會由于疲勞擴展導致斷裂，而損壞活塞和氣缸，帶來人員傷亡和生產設施設備損壞等。

（3）傳動組件和輔助部件故障傳動組件的損壞可能會造成一系列連鎖性破壞。在正常情況下，曲軸與軸承、連桿大頭瓦和曲軸銷、連桿小頭瓦和活塞桿、十字頭與滑道、活塞桿與填料等摩擦也會使溫度變高。潤滑作用和金屬的熱傳導作用會帶走大部分熱量，使溫度控制在正常范圍之內。當這些部位的溫度超過給定值，則說明可能出現了不正常情況，稱之為過熱。過熱會加速設備部件的損壞，嚴重了可能會燒毀摩擦表面，造成機器重大事故。冷卻水系統故障也會增大吸排氣溫度，從而使壓縮功增大，增加耗能量，影響排氣量。