往復(fù)式壓縮機(jī)反向角機(jī)械事故分析

梁鳳喜

(中海油氣(泰州)石化有限公司)

往復(fù)式壓縮機(jī)反向角機(jī)械事故分析

梁鳳喜*

(中海油氣(泰州)石化有限公司)

針對(duì)高壓加氫裝置所采用的往復(fù)式壓縮機(jī)十字頭銷與小頭瓦燒研粘合的事故，分析反向角在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)和使用過程中的重要性，并提出解決方案。

往復(fù)式壓縮機(jī) 反向角 十字頭 尾桿 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)

國(guó)內(nèi)處理量較小的高壓加氫裝置通常采用組合式往復(fù)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)將新鮮氫氣加壓輸送到反應(yīng)系統(tǒng)用以補(bǔ)充反應(yīng)所耗氫氣。往復(fù)式壓縮機(jī)通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是效率高、壓比高、對(duì)進(jìn)氣壓力的穩(wěn)定性要求較低、無(wú)喘振現(xiàn)象，在石化行業(yè)得到大規(guī)模應(yīng)用。但在某些工況下會(huì)出現(xiàn)反向角過小甚至為零的現(xiàn)象，油膜難以建立，從而導(dǎo)致諸如十字頭銷與小頭瓦燒研粘合之類的機(jī)械事故發(fā)生。筆者通過分析反向角過小導(dǎo)致機(jī)械事故產(chǎn)生的原因，并提出解決方案。

1 反向角的概念及應(yīng)用

載荷反向角是指在曲軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中，連桿力是拉力的曲軸轉(zhuǎn)角與連桿力是壓力的曲軸轉(zhuǎn)角相比較時(shí)較小的那個(gè)值。反向角通常也稱為反向度，指壓縮機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，綜合反向負(fù)荷持續(xù)時(shí)間內(nèi)曲柄轉(zhuǎn)過的角度[1～4]。如圖1所示，連桿力FC與滑道支持力FN的合力與活塞力FP平衡，活塞力FP的大小與方向隨曲軸的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化。

圖1 氣缸受力示意圖

連桿載荷反向主要是由活塞壓力反向產(chǎn)生的，壓力反向發(fā)生在活塞壓力由缸蓋側(cè)的高壓變?yōu)榍S箱側(cè)高壓的過程中。如圖2所示，在一個(gè)曲軸旋轉(zhuǎn)周期中(活塞由外死點(diǎn)到內(nèi)死點(diǎn)再返回外死點(diǎn)的過程)，在點(diǎn)A和點(diǎn)B處，活塞兩側(cè)壓力相等。在點(diǎn)A和點(diǎn)B之間，缸蓋側(cè)壓力將小于曲軸箱側(cè)壓力，因而活塞桿逐漸變?yōu)槭芾Γ诸^銷襯套的間隙將改變，十字頭銷將被推向氣缸側(cè)。在點(diǎn)A和點(diǎn)B區(qū)間之外，壓力又將反向，十字頭銷被推向曲軸箱側(cè)。隨著曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，十字頭銷兩側(cè)將時(shí)開時(shí)閉，均能得到潤(rùn)滑并能保持一定時(shí)間的油膜。如果壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中反向角過小或?yàn)榱悖瑒t十字頭銷只能承載一個(gè)方向的活塞力，使十字頭銷與連桿小頭瓦之間不能形成正常的潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致小頭瓦局部溫度偏高，進(jìn)而造成嚴(yán)重磨損或燒研。

圖2 活塞兩側(cè)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的變化曲線

反向角是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，在壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)中不可忽視。基于角域的往復(fù)壓縮機(jī)連桿小頭瓦故障診斷，可有效分析出連桿小頭瓦故障特征[5]，根據(jù)反向角和載荷曲線的變化，可判斷十字頭銷的潤(rùn)滑狀態(tài)[3]。

2 事故概述與分析

處理量較小的加氫裝置一般采用3A+R組合式往復(fù)壓縮機(jī)，流量調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)的“三返一”方式。在首次開工切換備機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行機(jī)的三級(jí)中體冒煙，隨即作緊急停機(jī)處理。后經(jīng)拆解檢查發(fā)現(xiàn)該級(jí)十字頭銷與小頭瓦燒研粘合。

事故發(fā)生的原因是所選設(shè)備操作彈性小，在非正常工況升壓過程中，由于三級(jí)活塞兩端工作面積相差較大，致使兩個(gè)端面所受的力相對(duì)懸殊，不易被三級(jí)連桿等運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的往復(fù)慣性力所平衡，引起三級(jí)連桿反向角偏小，造成整個(gè)十字頭與小頭瓦無(wú)潤(rùn)滑干磨，導(dǎo)致小頭瓦局部溫度偏高而燒粘。

3 故障解決方案

對(duì)于十字頭銷與小頭瓦燒研粘合事故，根據(jù)反向角的定義，一般采取增大反向角或避免反向角過小的方式進(jìn)行解決。

對(duì)于高壓比、小缸徑的活塞可能發(fā)生的非正常工況，一般會(huì)采用活塞加尾桿的結(jié)構(gòu)[2]，利用尾桿使活塞兩端面受壓面積相等或接近來(lái)減小壓力，增大反向角。

對(duì)于多級(jí)壓縮機(jī)的最后一級(jí)氣缸，尾桿的作用非常重要，但增加尾桿的同時(shí)也增加了一個(gè)密封面，機(jī)體填料泄漏的可能性也隨之增加。因?yàn)槲矖U是貫穿活塞桿的，增加尾桿的同時(shí)氣缸的余隙也相對(duì)增大，減少了氣缸的吸氣量，生產(chǎn)成本增高。為避免過大的余隙，盡量選擇符合要求的小直徑尾桿，否則還會(huì)導(dǎo)致前一級(jí)氣缸出口壓力升高等新的問題。此外，API 618是不推薦使用尾桿的，對(duì)于早期的壓縮機(jī)改造，考慮到成本因素通常是采用此種結(jié)構(gòu)來(lái)增大反向角。

將流量調(diào)節(jié)方式由“三返一”改為逐級(jí)返回，可避免反向角過小現(xiàn)象的產(chǎn)生，但逐級(jí)調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)是返回的量越多壓縮機(jī)浪費(fèi)的功就越多。

從節(jié)能環(huán)保方面考慮，目前新的往復(fù)式壓縮機(jī)大多設(shè)置賀爾碧格集團(tuán)的Hydro COM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)[1]，徹底改變以往卸荷器0%-50%-100%三級(jí)跳負(fù)荷調(diào)整的模式。更重要的是在0～30%負(fù)荷下，可保證壓縮機(jī)的平穩(wěn)開機(jī)、切機(jī)和停機(jī)。壓縮機(jī)的壓縮比可控制在合理范圍內(nèi)，避免壓縮機(jī)在非設(shè)計(jì)工況長(zhǎng)時(shí)間重負(fù)荷運(yùn)行。由于Hydro COM采用的是回流調(diào)節(jié)，即延遲關(guān)閉進(jìn)氣閥使氣缸中的部分氣體返回進(jìn)氣腔。為避免入口溫度過高，應(yīng)避免Hydro COM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷下運(yùn)行，穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下一般要求負(fù)荷的有效范圍為20%～100%。

選用合適的潤(rùn)滑油路，即采用C形油路：油泵→十字頭上滑板、下滑板→回入油箱；油泵→機(jī)身主軸承→連桿大頭→連桿小頭→十字銷→回入油箱。

連桿大頭瓦、小頭瓦是通過機(jī)構(gòu)內(nèi)件的油路提供潤(rùn)滑油的。連桿體中心的縱向油孔與大、小頭瓦外部的環(huán)形槽相通，通過油孔由大頭瓦來(lái)的潤(rùn)滑油經(jīng)環(huán)形槽對(duì)十字頭銷進(jìn)行潤(rùn)滑。

如果壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中反向角過小或?yàn)榱悖瑒t十字頭銷只能承載一個(gè)方向的活塞力，使十字頭銷與連桿小頭瓦之間不能實(shí)現(xiàn)正常的啟閉運(yùn)動(dòng)，潤(rùn)滑油無(wú)法到達(dá)十字頭銷中，在不影響十字頭銷剛度的前提下，可以在十字頭銷的表面開油道，該油道類似于十字頭滑履與十字頭表面的油道，對(duì)十字頭銷進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑。

此外，為保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還要注意以下兩點(diǎn)：

a. 往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行中應(yīng)避免出現(xiàn)大的波動(dòng)，避免破壞活塞桿的反向負(fù)荷，保證十字頭部位的良好潤(rùn)滑；

b. 選擇設(shè)計(jì)符合要求的壓縮機(jī)，目前國(guó)際通用的設(shè)計(jì)原則是將連桿小頭定位改為連桿大頭定位[1]，此種設(shè)計(jì)具有更好的潤(rùn)滑性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高壓縮比的大型往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，連桿反向角是一個(gè)重要的技術(shù)問題，在編寫設(shè)備操作規(guī)程過程中應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)因素，充分考慮非正常工況下反向角的大小，認(rèn)真分析和計(jì)算，提前做好事故預(yù)案以確保機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行。對(duì)于已經(jīng)增加尾桿的壓縮機(jī)，巡檢時(shí)應(yīng)多注意此處密封是否有泄漏發(fā)生。對(duì)于采用Hydro COM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機(jī)，應(yīng)注意避免長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷下運(yùn)行。

[1] 黃梓友. 加氫裂化新氫壓縮機(jī)連桿小頭襯套與十字頭銷燒損原因分析[J].潤(rùn)滑與密封, 2009,34(11):111～115.

[2] 李新,王立輝. 天然氣往復(fù)壓縮機(jī)反向角的理論分析及實(shí)例[J]. 壓縮機(jī)技術(shù), 2008,(2):21～24.

[3] 趙海力, 王奉濤, 宋魯濤. 往復(fù)壓縮機(jī)十字頭銷載荷分析及其在故障診斷中的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù), 2010,31(5):50～53，31.

[4] 周鳳山. 多級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)末級(jí)連桿受力分析[J]. 中國(guó)科技信息, 2008,(15):116.

[5] 杜小元, 江志農(nóng). 基于角域的往復(fù)壓縮機(jī)連桿小頭瓦故障診斷[J]. 壓縮機(jī)技術(shù), 2012,(5):62～64，69.

*梁鳳喜，男，1988年2月生，助理工程師。江蘇省泰州市，225321。

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