大型往復式循環氫壓縮機氣缸缸套旋轉失效分析與改進

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(中石油 克拉瑪依石化有限責任公司， 新疆 克拉瑪依 834000)

某石化公司120萬t/a柴油加氫改質裝置中設置有2臺大型往復式循環氫壓縮機組K-3102/A和K-3102/B，其作用主要是為加氫反應提供反應氫氣并且帶走反應熱，是公司特護設備和裝置生產運行的核心設備。循環氫壓縮機組型號MW-34.2/(110-130)-20/(13-22)-X，為固定水冷對置式四列一級少油潤滑往復式活塞壓縮機，運行條件為一開一備。循環氫壓縮機工作介質為循環氫(含硫化氫)，進氣壓力11.0 MPa，排氣壓力為13.0 MPa，機組排量190 000 m3/h，電機型號TAW2700-20/2600W，電機功率2 700 kW。

2016-03-22T08：30，在循環氫壓縮機K-3102/A運行過程當中，控制系統DCS顯示其體積流量突然大幅下降，壓縮機發出尖銳異響，異響消除之后觀察到壓縮機曲軸箱呼吸閥處冒出大量白霧，操作人員立即將K-3102/A切換至備用機K-3102/B。對K-3102/A緊急停機之后拆檢發現右一列循環缸(簡稱右一缸)缸套在排氣閥處被高壓氣體擊穿形成了一個大孔，氣缸缸套在氣缸內旋轉了30°，造成十字頭滑履、十字頭銷、連桿大小頭瓦燒壞以及連桿變形損壞等事故。

氣缸缸套在氣缸內發生旋轉導致的惡性設備損壞事故在國內壓縮機上十分罕見，國內文獻也幾乎檢索不到有關壓縮機氣缸缸套旋轉失效的研究報道。氣缸缸套一旦在氣缸內發生旋轉會造成壓縮機損壞，影響生產的順利進行，還可能造成人員傷亡的重大事故。壓縮機氣缸缸套旋轉具有隱蔽性、突發性和不可預測性，如果沒有相關依據和標準作為參照，很難及時發現并采取積極有效的應對措施，待發現機組的聲音、振動和各項參數出現異常時，事故已經發展到了破壞性階段。筆者對該往復式壓縮機氣缸缸套旋轉導致的惡性設備損壞事故展開分析，找出了氣缸缸套旋轉失效的根本原因，總結出了氣缸缸套旋轉失效初期的故障表征現象和應對措施，可以為國內處理類似往復式壓縮機故障提供一定的借鑒和參照[1-5]。

1 壓縮機故障概況

2016-03-22T08：30，壓縮機K-3102/A右一缸排氣溫度異常，從62 ℃上升至75 ℃，最高達到98.5 ℃，其余兩列循環缸排氣溫度變化趨勢正常(圖1)。同時壓縮機循環氫量從220 000 m3/h(標準狀態)降至170 000 m3/h，減少了5 000 m3/h(圖2)。DCS趨勢顯示壓縮機機身振動發生了短暫的異常，08：44控制系統DCS上儀表位號201-VT3301顯示的曲軸箱機身振動值由3.23 mm/s突降至2.21 mm/s，然后又突升至4.03 mm/s，之后一直維持在2.4 mm/s，整個異常時間持續約2 min，見圖3。DCS趨勢顯示右一缸活塞桿探頭出現較大波動，下沉量最小值0.261 mm，最大值1.72 mm，整個波動持續約12 min，見圖4。這一過程中現場檢查壓縮機時聽到機組發出尖銳異響，之后異響聲消除，同時壓縮機曲軸箱呼吸閥處冒出大量白霧[6-9]。

圖1 K-3102/A氣缸排氣溫度變化趨勢

圖2 K-3102/A排氣量變化趨勢

圖3 K-3102/A曲軸箱機身振動變化趨勢

圖4 K-3102/A右一缸活塞桿下沉變化趨勢

緊急切換停機后在拆檢K-3102/A右一缸氣閥過程中發現，氣缸吸、排氣閥孔被缸套堵塞約95%面積，蓋側排氣閥孔有金屬破裂現象。進一步拆檢發現右一缸缸套旋轉約30°，缸套排氣孔處被高壓氣體擊穿形成一個大孔。缸體注油管斷裂，十字頭上滑履燒毀嚴重，十字頭銷與小頭瓦存在燒損粘連，連桿上安裝小頭瓦處發生變形(最大橢圓度為0.40 mm)，導向環表面嵌入大量金屬碎屑，各填料小室密封面存在明顯變色現象。

2 氣缸缸套旋轉失效原因分析

將K-3102/A氣缸整體拆除后制造廠商對缸套進行了測繪，綜合相關測繪數據，分析認為此氣缸內徑在設計制造時存在局部超差，并且氣缸缸套不是全過盈配合，缸套安裝在氣缸內形成了3種配合方式，缸套底部為間隙配合，中段位置為過渡配合，上部位置為過盈配合，而上部過盈配合過盈量設計不足，造成氣缸缸套在長期交變應力作用下發生松動旋轉30°。缸套旋轉后堵塞了吸氣孔和排氣孔95%的面積，吸氣孔被堵塞后吸氣量不足，造成循環氫量從220 000 m3/h下降至170 000 m3/h。排氣孔被堵塞后，氣缸內不斷被壓縮的高壓氣體無法及時排出導致缸內憋壓，使排氣溫度不斷升高，也造成十字頭、連桿大小頭等運動部件過載燒毀。同時，十字頭銷滑履、十字頭銷、連桿大小頭瓦運行中過載溫度過高加熱了曲軸箱內的潤滑油，使之受熱汽化在呼吸閥處產生大量白霧噴出。缸內憋壓還造成活塞桿劇烈跳動、機身劇烈振動，此時活塞仍在不斷壓縮缸內的氣體并持續加壓，當壓力超過了氣缸缸套所能承受的最大強度時，高壓氣體會將氣缸套堵塞的排氣孔部位擊穿，發出尖銳異響，異響消除后缸內高壓氣體從擊穿的排氣孔排出，壓縮機又恢復了正常的排氣功能，但右一缸已經報廢[10-12]。

K-3102/A壓縮機系引進國外技術制造，但制造商沒有完全掌握該技術，在氣缸缸套中沒有設計防轉結構，設計存在嚴重缺陷。此外，氣缸缸套端面與缸頭壓蓋之間的預留間隙也不合理，使得缸套松動后靠缸頭壓蓋的預緊力也可固定住缸套防止其旋轉的保護措施失效[13-19]。

3 氣缸缸套旋轉失效預防改進措施

①整體更換K-3102/A壓縮機右一缸，要求設計制造廠家在設計缸套時必須采用全過盈配合并確保過盈量充足。必要時考慮設計防轉結構，提供改造所需的加工工藝。②更換受損的十字頭銷、十字頭滑履和變形燒毀的連桿大小頭瓦，全部更換曲軸箱內污染的潤滑油。③逐一打開該機型氣缸，檢查其余缸套的松動情況，排除類似缺陷問題。④要求制造廠家根據氣缸缸套返廠后的實際測量數據，理論計算分析缸套旋轉后氣體擊穿缸套的強度及對其他相關受力元件(如活塞桿等)的影響，從缸套旋轉引起的氣體力變化方面對十字頭、連桿及大小頭瓦受損原因進行具體量化分析[20]。

4 氣缸缸套旋轉失效初期表征現象

根據K-3102/A壓縮機氣缸缸套旋轉失效現場情況，總結出了此類故障發生初期的5個重要表征現象：①機組排氣溫度異常，排氣溫度急劇上升。②機組排氣量明顯減少。③機組機身振動值發生明顯異常，機身振動值突然上升或下降，來回波動較大，持續約2 min。④機組活塞桿探頭值波動異常，活塞桿探頭值突然上升或下降，來回波動較大，整個波動持續約12 min。⑤這一過程中壓縮機會發出尖銳異響，缸套被擊穿后異響聲消除，同時壓縮機曲軸箱呼吸閥處冒出大量白霧。

5 結語

往復式壓縮機氣缸缸套旋轉導致的惡性設備事故在國內壓縮機運行中十分罕見，沒有類似故障相關的表征現象作為參考，對此類故障發生時的現場判斷和應急處置經驗均不足，機組切換過程中也存在著很大的風險和不可控因素。文中分析了壓縮機氣缸缸套旋轉失效的原因，提出了預防改進措施，并總結了該類故障發生初期的重要表征現象，可為國內同類裝置類似問題的處理提供參考。一旦壓縮機出現這些表征現象，應立即緊急停機，最大限度避免設備故障擴大，保障現場人員人身安全。

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