壓縮機氣閥對曲軸反向角和安全運行的影響

唐 軍

（西南油氣田蜀南氣礦工藝研究所，四川瀘州 646000）

0 引言

往復(fù)式壓縮機是一種應(yīng)用廣泛的氣體增壓集輸裝備。氣閥是壓縮機的重要部件，屬于易損件。氣閥質(zhì)量及工作的好壞直接影響壓縮機的輸氣量、功率損耗和運轉(zhuǎn)可靠性。為此，氣閥亦被稱作壓縮機的“心臟”。往復(fù)式壓縮機依靠活塞在缸內(nèi)的往復(fù)運動來壓縮氣體，使氣體在氣缸內(nèi)完成膨脹、進氣、壓縮、排氣等4個過程，將低壓氣體升壓輸出。活塞桿作往復(fù)運動時受到壓力或拉力，受壓時活塞銷壓向襯套一側(cè)，另一側(cè)出現(xiàn)間隙，潤滑油進入，該側(cè)的十字頭銷和襯套得到潤滑和冷卻。如果只有一個方向受力，受壓一側(cè)就得不到潤滑和冷卻。因此，受力方向必須周期改變并保持一定時間，使得潤滑油充分進入，使連桿小頭襯套兩側(cè)輪流得到潤滑和冷卻，這個時間以曲軸轉(zhuǎn)角表示，稱為反向角。沒有足夠大的反向角，十字頭和襯套將在很短時間內(nèi)燒損。API 618 標準規(guī)定反向角不小于15°，COOPER 壓縮機要求在30°以上（休波瑞爾的技術(shù)標準是反向角不小于30°），ARIAL 公司規(guī)定最小反向角不小于25 °。

往復(fù)式壓縮機氣閥失效形式很多，據(jù)不完全統(tǒng)計，壓縮機故障停機概率40%以上是因氣閥故障引起的。因氣閥故障或安裝失誤，導(dǎo)致壓縮機十字頭、連桿小頭襯套、連桿大頭軸瓦和曲軸連桿軸頸燒損事故也時有發(fā)生。通過2 個典型案例，說明壓縮機氣閥故障對曲軸反向角的影響。

1 案例分析

1.1 案例1

1.1.1 基本情況

某處理站2011 年5 月投用1 臺CAMERON 公司W(wǎng)H74 四級壓縮機組，用于天然氣增壓，單臺機組設(shè)計排氣量為2×105Nm3/d，最大允許排氣壓力12 MPa，故障時累計運行25 903 h。

1.1.2 運行與拆檢情況

壓縮機運行中出現(xiàn)四級排溫高保護停機，大約0.5 h 后運行人員啟機，啟機過程中3#主軸承溫度高報警，未啟機成功，停機待檢查。維修人員對機組實施拆檢，發(fā)現(xiàn)第四級壓縮缸十字頭上下滑板磨損，合金層部分脫落；連桿小頭襯套磨損嚴重；連桿大頭軸瓦錯位，定位唇失效，磨損嚴重并存在高溫變形；曲軸3#連桿軸頸磨損。拆檢第四級壓縮缸氣閥，發(fā)現(xiàn)前端一只排氣閥內(nèi)部零件嚴重損壞，閥片、彈簧片斷裂殘缺，故障圖片如圖1～圖6所示。

1.1.3 原因分析

（1）直接原因。四級前部排氣閥內(nèi)部零件損壞后，四級活塞前部氣缸與排氣道連通，造成四級壓縮缸前部（蓋側(cè)）在一個工作循環(huán)中缸內(nèi)壓力幾乎與排氣道壓力一致。導(dǎo)致十字頭銷只能承受一個方向的活塞力，使得十字頭銷與連桿小頭襯套之間始終保持一個方向或一個部位接觸，造成連桿軸瓦與連桿軸頸之間、十字頭銷與連桿小頭襯套之間不能形成間隙，潤滑油不能進入，導(dǎo)致上述運動副得不到有效潤滑，出現(xiàn)干摩擦，溫度升高，造成壓縮機十字頭、連桿小頭襯套、連桿大頭軸瓦和曲軸連桿軸頸全部燒損。

圖1 十字頭上滑板

圖2 十字頭下滑板

（2）間接原因。運行人員在機組四級排溫高保護停機后，不分析排溫異常原因，也不通知維護人員或在出現(xiàn)四級排溫高保護停機后，即采取停機待查措施。而是采取消除報警，實施啟機操作（四級排溫高保護停機，大約0.5 h后啟機），致使該起事故范圍擴大，損壞情況加重。

1.1.4 處置與預(yù)防

（1）處置措施。對第四級壓縮缸十字頭和連桿組件進行檢測，更換所有損壞部件。3#曲軸連桿軸頸磨損嚴重，現(xiàn)場無法處理，曲軸送專業(yè)廠家維修、校正。

（2）預(yù)防措施。運行應(yīng)關(guān)注壓縮機排氣溫度變化，發(fā)現(xiàn)問題及時檢查處理。在未查明機組異常情況之前，不能強行啟機，避免嚴重事故。嚴格按照操作規(guī)程啟停機組，啟機前一定要盤車，檢查阻卡情況。

1.2 案例2

1.2.1 基本情況

某處理站氣舉裝置采用D-R 公司4HOS 四級壓縮機，單臺機組設(shè)計排氣量為2×105Nm3/d，最大允許排氣壓力12 MPa。設(shè)備維保人員對機組實施年保，啟機空載磨合后，在加載運行初期，壓縮機聲音出現(xiàn)異常，立即緊急停機，實施盤車檢查，存在阻卡，曲軸轉(zhuǎn)動范圍小。

1.2.2 拆檢情況

第四級壓縮3#缸連桿小頭襯套與十字頭銷因缺油發(fā)生高溫?zé)龘p，出現(xiàn)高溫粘合，十字頭銷不能拆除。拆除四級壓縮缸體，整體移除十字頭組件與連桿組件。

1.2.3 原因分析

（1）直接原因。設(shè)備維保人員對壓縮機氣閥實施檢修后回裝過程中，誤將四級壓縮缸前端進、排氣閥裝反了位置（該4HOS 壓縮機四級壓縮缸氣閥數(shù)為兩進、兩排），造成反向角過小或為零。加載運行時活塞桿負荷無反向，十字頭銷總壓在連桿小頭襯套的一側(cè)，受壓一側(cè)始終無間隙，沒有潤滑油進入，缺乏潤滑和冷卻，連桿小頭襯套局部溫度升高，造成十字頭銷襯套、十字頭銷及十字頭滑板燒損。

圖3 連桿小頭襯套

圖4 連桿大頭軸瓦

圖5 3#曲軸連桿軸頸（四級壓縮連桿軸頸）

（2）間接原因。安裝失誤。

1.2.4 處置及預(yù)防

（1）處置措施。更換四級壓縮缸連桿總成、十字頭總成和十字頭銷。

（2）預(yù)防措施。安裝前對氣閥進行確認，區(qū)分進、排氣閥。實際工作中，可先裝排氣閥，后裝進氣閥，可有效避免誤裝。

圖6 壓縮機四級前端排氣閥內(nèi)部零件損壞情況

2 幾點建議

（1）實際工作中，對于多級高壓壓縮機組，一定要關(guān)注高壓級氣缸排溫變化。若出現(xiàn)排溫異常或排溫高保護停機，一定要排查氣閥。曲柄端進氣閥，缸頭端排氣閥出現(xiàn)問題易出現(xiàn)十字頭襯套燒損，因曲柄端進氣閥，缸頭端排氣閥故障，易導(dǎo)致反向角變小。小缸徑在大壓比的工況下，活塞將會產(chǎn)生較大的氣體力，引起無反向角或反向角過小，十字頭銷只能承載一個方向的活塞力，使十字頭銷與連桿小頭襯套之間不能形成正常的潤滑油膜，導(dǎo)致小頭襯套局部溫度偏高，造成嚴重磨損或燒損。

（2）編寫多級高壓壓縮機組操作規(guī)程時，應(yīng)根據(jù)壓縮機設(shè)計廠家反向角計算表，結(jié)合現(xiàn)場具體工藝要求和工況條件，避開導(dǎo)致反向角過小工況；現(xiàn)場工況改變時，必須重新核算確認。提前識別風(fēng)險，確保機組安全平穩(wěn)運行。

（3）日常運維工作中，尤其是調(diào)整余隙后，應(yīng)重視反向角。余隙大小也會影響到綜合活塞力的分布，在壓比一定情況下，余隙大小決定了氣體膨脹過程的長短，因此其也會對反向角造成一定影響。增大壓縮缸余隙，使得機組負荷降低，但使無反向傾向增加。

（4）單作用氣缸很容易產(chǎn)生無反向角，缸頭端單作用比曲軸端單作用更易造成無反向情況，實際應(yīng)用要慎重。若必須采用，一般拆除缸頭端的氣閥，讓其卸荷，而曲軸端一側(cè)氣缸工作。

（5）對于采用賀爾碧格Hydro COM 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機，應(yīng)注意避免長時間在低負荷工況運行。

3 結(jié)束語

往復(fù)式壓縮機氣閥對機組運行影響較大，有時甚至是致命的。因此在實際工作中，應(yīng)把好“三關(guān)”（氣閥質(zhì)量、檢修與安裝、運行），以減少或避免非計劃停機和事故。只有氣閥安全，往復(fù)式壓縮機的本質(zhì)安全才有所保證，只有杜絕人的不安全行為，才能減少和避免事故的發(fā)生，降低小事件引發(fā)大事故的概率。