DPC2803型往復式壓縮機組動力缸體開裂原因分析

樊興科 趙鵬輝（北京杰利陽能源設備制造有限公司，北京 100101）

DPC2803型往復式壓縮機組動力缸體開裂原因分析

樊興科 趙鵬輝（北京杰利陽能源設備制造有限公司，北京 100101）

針對往復式壓縮機組頻繁動力缸體薄弱處開裂的原因進行研究分析，并研究實施一些措施，降低缸體的損壞率，延長其使用壽命。

缸體構造及原理；缸體開裂原因分析；診斷設備應用；預防措施

缸體為可燃氣體壓縮、燃燒和膨脹的空間，保障壓縮機組功率需求，工作條件惡劣。做功的燃燒過程中，燃氣的最高溫度可達2200～2800℃，壓力可達1～3MPa，它的內壁直接受到高溫高壓氣體的作用，而外壁又受到風(或水)的冷卻，使缸體承受較大的機械應力和熱應力，因此要求氣缸套要有足夠的強度和剛度，且工作時變形小。此外，氣缸體對活塞的運動起導向作用，氣缸內壁除受活塞的側壓力外，還受由于活塞的高速運動而產生的強烈的摩擦作用，是發動機磨損最嚴重的表面之一，處于這樣惡劣的工作條件下，動力缸體在燃燒方面，一旦相關聯的因素發生改變，就會導致缸體開裂或燒蝕損壞。

1 動力缸體構造及原理

動力缸體為薄壁多孔整體鑄件，制造工藝要求高，內部經過車磨、行磨加工，內部表面鍍鉻，增強缸體金屬穩定性、耐高溫、高壓、高頻次摩擦；同時缸體工作溫度高。

工作原理：當活塞向氣缸頭運動時，活塞后部內腔形成瞬時負壓，混合閥靠壓差打開，動力缸吸入新鮮空氣，活塞頭部首先關閉進氣口，然后再封閉排氣口，燃氣噴射閥靠液壓力打開，燃氣進入動力缸，活塞繼續運動，這就是壓縮沖程；封在活塞頭部內的這部分混合氣體在接近壓縮沖程終點前，由火花塞點燃，混合氣體燃燒膨脹作功，使動力活塞向曲軸端運動，這就是作功沖程；當活塞運動至不能封閉排氣口時，燃燒后的廢氣就由排氣口排出，活塞繼續運動，進氣口被打開，這時，在壓縮沖程中進入后部的空氣已被壓縮到具有一定的壓力，形成掃氣泵，再此壓力下，新鮮的空氣由進氣口進入活塞頭部的空腔，并吹掃殘留在缸內的廢氣，有助于廢氣的排氣。

2 動力缸體開裂原因分析

2.1 動力缸體生產制造存在質量缺陷

動力缸體整體鑄造時，材質處理不當存在氣泡或沙眼，氣缸體強度降低，缸內高溫、高壓工作時，易是缺陷的地方開裂損壞。

2.2 缸體內點火燃燒異常

依據動力缸工作原理，影響動力缸點火燃燒異常的主要因素有：點火元器件故障、點火正時異常、燃氣組分發生改變、潤滑異常、設備超負荷或重負荷運行及空氣過濾裝置異常，主要原因為動力缸內點火紊亂爆燃爆震，導致缸體進氣口或排氣口薄弱處開裂。

爆燃爆震指在正常的燃燒結束前發生爆炸性的沖擊波，在燃燒室自動點火前鋒未到達前引起的極端紊流和極速的不規則燃燒。

2.2.1 點火元器件故障

點火元器件：由磁電機、高壓線圈、高壓點火線、火花塞組成[3]。

每臺壓縮機組正常運行時，由多個動力缸體組成，當某一個動力缸點火元器件異常，動力缸內部會發生失火現象或點火能量不足，火焰傳播速度不夠，發生爆燃爆振現象，長時間在此情況下工作，動力缸內活塞頻繁爆震，高頻次沖擊，致使動力缸體應力集中點進排口及注油口開裂損壞，同時單缸負荷不穩定，也會導致其它動力缸超負荷或重負荷工作，長期運行也會使缸體磨損或開裂損壞。

2.2.2 點火正時異常

點火正時：俗稱點火提前角，由于火焰傳播速度問題，為使動力缸在到達上止點時溫度、壓力達到最高，在活塞到達上止點之前就點火，從點火開始到活塞到達上死點這段時間曲軸所轉過的角度稱為點火提前角[3]。

點火提前角異常時，會導致動力缸內發生早燃及失火現象，動力燃燒室內早燃為火花塞點燃可燃混合氣體前的先期燃燒，燃燒室內會產生極速溫升引起發動機損傷，長時間運行會導致動力缸體薄弱處開裂；動力燃燒室內失火為過大的空燃比導致間斷的火焰傳播，燃氣量不足以點火并在燃燒室傳播，長時間間斷性失火，動力缸內活塞爆震敲缸，導致動力缸體薄弱處開裂損壞。

2.2.3 燃氣組分發生改變

往復式壓縮機組燃料氣主要為天然氣，天然氣主要成分為甲烷，隨產地不同，甲烷的含量也不同，一般為85%至95%。

燃氣特性參數：SLHV,btu/ft3:939.03；

MJ/Nm3：37.92；

S.G.:0.610

內混注氣和空燃比調整的天然氣發動機機組，燃氣執行DEMA標準，確保壓縮機組安全連續、滿負荷運行，無爆燃敲缸、無功率降和任何特殊調整；燃氣組分發生變化時勢必會影響動力缸體內部點火情況，由于集氣站式燃氣壓縮機所使用的燃料氣，大多為分離器分離之后的天然氣（不是商品氣），燃料氣內含有液體及輕質油，尤其在隨著氣田的進一步開發，氣藏地質情況的特性，所開采的天然氣組分進一步惡化，燃氣內輕質油及液體含量相對升高，同時進入動力缸內，參與燃燒，由于輕質油易燃易爆，穩定性低，易使動力缸燃燒室內發生爆燃爆振，導致動力缸體應力集中點進排口或注油口開裂損壞。

2.2.4 潤滑異常

整體式往復式壓縮機組，潤滑一般有兩種方式：飛濺式潤滑和注油潤滑[3]。

曲軸箱采用飛濺式潤滑：連桿攪油作用使機油飛濺，十字頭滑道、連桿小頭、主軸承蓋等上面有收集潤滑油的集油盤和連接油道，使機油到達軸承和滑道內。

注油潤滑：包含：高位油箱、Y型過濾器、注油器、注油泵、比例分配器、單向閥，主要對動力缸體、壓縮缸體及填料進行潤滑。

高位油箱：容積208L，補充曲軸箱的機油液位和給注油泵供油，內有加熱器溫度控制。

Y型過濾器：過濾大的固體顆粒，過濾精度較低。定期清洗。

注油器：由臥軸驅動，內有減速機構和凸輪軸，用來驅動注油泵。內部加潤滑油。

注油泵：柱塞泵，由凸輪驅動，從高位油箱供油，經過柱塞加壓把機油注入到動力缸、壓縮缸、壓縮填料。

比例分配器：注油器潤滑油經過燒結過濾器進入到分配器，按照比例分配到每個潤滑點。

單向閥：防止氣鎖，氣缸內的高壓氣體竄到注油管路內，導致油出不來。

潤滑油要求，主要技術參數對粘度和閃點有特殊要求，整體式往復式壓縮機組手冊建議使用潤滑油為殼牌SAE30或Mo?bil飛馬701號機油，而多數情況，用戶在選用潤滑油時，考慮成本問題，多數會調整更換潤滑油，同時潤滑油需要定期監測分析及更換，潤滑油異常時，主要有以下兩種情況：

當潤滑油量少時，動力缸燃燒室不能有效潤滑，會加大動力缸體的磨損，降低其使用壽命。

潤滑油粘度不達標或污染失效時，在動力缸燃燒室內會產生大量積碳，堵塞排氣口，同時熾熱的積碳會在缸內形成高溫熱點，致使動力缸內發生早燃現象，燃燒室內會產生極速溫升引起發動機損傷，長時間運行會導致動力缸體薄弱處開裂，此類現象稱為壓縮機組無聲殺手；同時燃燒產生的積碳不僅使活塞環卡在槽內，導致活塞環失效，而且在一定條件下積碳會燃燒，導致壓縮機發生爆炸事故。

2.2.5 設備重負荷或超負荷運行

通過對200多臺次的往復式整體式壓縮機組日常管理維護，當壓縮機組負荷率在75%～95%時，運行狀況最佳，壓縮機組運行穩定；95%～100%時，火花塞易燒蝕，缸內積碳較多，同時缸體表面有劃痕燒蝕現象，稱為重負荷運行；＞100%時，易出現發動機功率不足，壓縮機排煙管冒黑煙，稱為超負荷運行。

設備重負荷或超負荷運行時，為確保正常的功率輸出，壓縮機轉速會同比增高，致使各部件加速磨損，同時動力缸溫也會很高，缸溫高時潤滑油的粘度會降低，潤滑性能也會降低，會影響動力缸燃燒室內的有效潤滑，燃燒室內會產生大量積碳，堵塞卡滯活塞環或者附著火花塞電極處影響放電火花，缸內易出現間斷性失火，并且積碳會堵塞排氣口，進一步提升動力缸溫。

動力缸長期處于高溫高壓運行，加劇缸體磨損，同時熾熱點的積碳會在缸內形成高溫熱點，致使動力缸內發生早燃現象，燃燒室內會產生極速溫升引起發動機損傷，長時間運行會導致動力缸體薄弱處開裂。

3 動力缸體維護預防措施

3.1 定期維護保養

嚴格按照對應機型維護保養手冊及設備運行情況進行保養維護。

（1）機組定期保養時，拆卸檢查火花塞電極燒蝕或腐蝕情況。火花塞燒蝕或腐蝕嚴重時，建議拆卸檢查動力缸內部，及時清潔動力缸內積碳及更換失效的活塞環；同時檢查缸內潤滑油膜，必要時調整潤滑油量，確保缸內有效潤滑，可有效降低缸內燃燒室的早燃、失火現象的發生概率，保護缸體的使用壽命。

（2）定期使用專用點火正時燈檢查機組點火正時角度，防止動力缸內過早或過晚點火，確保缸內工作的穩定性，杜絕爆燃爆振現象發生。

（3）通過對應機型設備排量計算軟件，核算機組運行工況，杜絕重負荷或超負荷現象的發生，提高設備的使用壽命。

（4）及時與客戶溝通聯系，當氣體組分發生較大變化時，及時取樣分析，并根據分析報告，核算燃氣的穩定性指標參數，嚴重影響機組正常運行時，建議對燃氣進行多次過濾處理，同時根據現場情況，必要時調整維護保養內容及周期。

（5）按照對應手冊潤滑油技術參數要求進行潤滑油選型，并且定期對潤滑油進行取樣分析，監測油品氧化等衰變相關的項目及磨損腐蝕相關的項目[1]，很據監測結果更換潤滑油，同時制定科學合理的潤滑油更換周期，確保設備各部件有效潤滑。

（6）及時清理堵塞的空氣濾網，更換破損的空氣濾網，防止空氣中的粉塵或雜質進入動力缸內參與燃燒，縮短動力缸體使用壽命。

3.2 定期狀態檢測分析

利用狀態檢測設備定期對壓縮機組整體運行情況進行監測分析，通過點火、壓力、溫度及震動曲線圖監測壓縮機動力缸內工作情況，可發現缸內的早期的故障癥狀，指導檢修人員及早的消除故障隱患源，延長缸體的使用壽命；同時可有效診斷分析疑難故障，精準判斷，提高檢維修效率。

3.3 在線檢測系統

為進一步保障壓縮機組的運行安全可靠性，可在機組動力缸體安裝壓力、溫度、震動等相關相位傳感器，進行遠程時時在線監測，編制監測程序，通過科學計算分析，可有效監控壓縮機組早期故障現象，同時預警維修人員對機組該部位進行維護保養，確保故障消除在萌芽狀態，延長壓縮機組核心部位使用壽命，實現降本增效。

4 結語

往復式壓縮機組動力缸體拉裂，主要是因影響設備運行狀況的因素發生了變化所導致，主要為動力缸內燃燒異常，發生爆燃爆震，活塞高頻次沖擊震動，致使動力缸體薄弱處開裂損壞。

4.1 誘導動力缸燃燒的主要因素主要有

（1）燃料氣質發生改變，燃燒抗爆性差或者含有其它物質參與燃燒，形成結塊物，加速缸體磨損[2]。

（2）潤滑油量過量或不足，缸內產生大量積碳，發生早燃現象或者潤滑不到位，加劇缸體的磨損，降低其使用壽命。

（3）壓縮機組工況變化大，壓縮機運行穩定性差，頻繁性重負荷或超負荷運行，縮短各部件的使用壽命。

4.2 預防缸體開裂的主要措施

（1）按照手冊內技術要求，定期對壓縮機組各部位進行維護保養，同時根據保養情況，進行部件技術診斷分析，及時更換失效的附件，確保核心部件的使用壽命。

（2）利用先進的監測設備，定期對燃料氣、潤滑油進行取樣分析，并通過專業的技術軟件對燃料氣熱值及潤滑油性能進行計算分析，確保動力缸內點火的穩定性及有效潤滑；同時對設備進行離線在線監測分析，監測動力缸內點火、壓力及溫度曲線，降低動力缸體故障率，延長其使用壽命。

[1]李開連《油氣設備潤滑油管理及油液監測技術》，北京：石油工業出版社，2014.12.112-119.

[2]楊其明，嚴新平，賀石中.油液監測分析現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.1-3.

[3]DPC-2803/2804技術手冊,5-10.