制氫壓縮機撞缸故障分析及處理

金海波，王曉輝，曹 揚

（杭州杭氧壓縮機有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

制氫裝置的解析氣體壓縮機是工廠的核心設備，主要將制氫裝置PSA 裝置的低壓尾氣排放到火炬系統(tǒng)中，但由解吸氣體壓縮機壓縮。傳輸?shù)接糜谙嚓P設備的燃氣管道網(wǎng)絡中。此措施可在制氫車間中完全回收約5000 m3/h 的分析物氣體，降低生產(chǎn)成本，保護環(huán)境并增加經(jīng)濟效益。利用循環(huán)經(jīng)濟，清潔生產(chǎn)和新發(fā)展的戰(zhàn)略措施。張小偉[1]等研究在制氫天然氣壓縮機的運行，利用無極調(diào)量系統(tǒng)來優(yōu)化制氫壓縮機的運行效率，達到節(jié)能的目的，提升制氫效率，介紹幾種壓縮機氣量的調(diào)節(jié)方法，包括旁路調(diào)節(jié)、余隙調(diào)節(jié)、全頂開進氣閥、HRCS 調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)方法，并對關鍵設備、控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，最后得到一個收益可觀的制氫壓縮機；劉忠梅[2]等闡述制造前燃氣裝置生產(chǎn)的瓶頸，在這個過程中突破生產(chǎn)瓶頸，主要闡述PSA 單元、原料氣壓縮機單元、儀表控制回路、開工系統(tǒng)無有效泄壓手段、凝結水管線外送不暢等問題，為了更好解決這些問題將部分的制氫裝置進行改造，最終達到提高氫氣收取率、轉(zhuǎn)化爐效率、提高凝結水回收效益等；黃春[3]主要研究高鉑小球的制氫效率，以及完成預加氫工作的總結，進行精制油用量的計算、設備的核算等，提高制氫效率，降低制氫的成本，并簡單闡述預加氫催化劑預硫化以及工作情況；蘇為群[4]主要研究在制氫裝置中，控制和聯(lián)鎖方案的應用，主要目的是提高制氫裝置的運行效率，和提高收益降低成本，通過利用氣量無級調(diào)節(jié)，控制裝置的負荷以及水碳比，最終達到提升控制水平的目的；陳莉[5]等研究改變制氫裝置單元壓降能夠?qū)漠a(chǎn)生什么影響，當壓縮機入口壓力每提高0.05 MPa 時，壓縮機功耗將降低約230～330 kW。

1 制氫裝置工藝流程裝置

裝置工藝流程由壓縮工序（含除萘工序）、預處理工序、變壓吸附工序和凈化工序組成，制氫裝置工藝流程如圖1 所示。

圖1 制氫裝置工藝流程

2 故障原因分析

2.1 失效條件

曲軸箱有很高的噪聲和振動，水平振動為6.5 mm/s。曲軸主軸承溫度持續(xù)升高，分別升至58 ℃和52.5 ℃，在2 h 內(nèi)升高到11 ℃（正常值47 ℃），接近65 ℃的報警值。精濾器中的壓差繼續(xù)上升。潤滑劑溫度也上升了。

2.2 初步檢查

（1）預先檢測相關零件的匹配間隙[6]。主軸承的徑向游隙、定位軸承的軸向游隙、連桿大端軸承的徑向游隙、連桿小端軸承的徑向游隙、十字頭滑瓦與滑道之間的徑向游隙、活塞體與氣缸之間的徑向間隙、活塞止動點間隙均滿足裝置的要求。

（2）初步檢查設備的潤滑油系統(tǒng)[7]。確保機油泵、管道、機油壓力、機油等正常，并且粗濾器中有很多金屬碎屑。

2.3 故障原因分析

（1）將活塞桿和十字頭連接到液壓接頭。液壓接頭是由液壓泵加壓產(chǎn)生的高壓液壓油，通過壓力體的高壓接頭進入密封腔，液壓油通過環(huán)形活塞壓縮產(chǎn)生壓力。細活塞桿發(fā)生彈性變形并延伸，然后使用鉤形扳手將其擰緊并固定以適合十字頭部分。釋放液壓油后，由活塞桿的彈性變形產(chǎn)生的彈性預緊力作用在鎖緊螺母和加壓體的連接螺釘上，螺紋產(chǎn)生擰緊力以檢查十字頭和螺母是否松動，此時活塞桿正在往復運動。

（2）活塞桿和十字頭組件的彈性變形為31.86 mm 的細活塞桿，制動器為32.89 mm 的細活塞桿。活塞桿的彈性變形是它與壓力體接合的地方，在此部分中，必須確定細活塞桿的直徑以滿足工作條件的要求。如果活塞桿的彈性變形困難，則直徑太大，并且活塞桿的強度和連接的預緊力不足。細活塞桿的加工長度不僅必須滿足加工要求，還必須滿足工作條件的要求：如果太長，則活塞桿結構的尺寸將增加，如果太短活塞桿的彈性變形是不夠的。應根據(jù)連接件所需的預緊力的大小來確定，在確定結構尺寸時，應根據(jù)標準進行加壓，過大的壓力會降低彈性變形。細化活塞桿，直到失去彈性。

活塞桿的折斷部分位于止推環(huán)和活塞桿的重合點，通過觀察發(fā)現(xiàn)斷裂。活塞桿的橫截面垂直于活塞桿的軸線，波浪形的橫截面具有明顯的壓縮痕跡。由于碰撞和突出而發(fā)生壓配合，并且在活塞桿折斷后，十字頭繼續(xù)移動。預先確定活塞桿故障應該是疲勞故障。檢查設備數(shù)據(jù)，活塞桿由42CrMo 超高強度鋼制成，該材料強度高、韌性好、淬透性好、回火脆性好、回火后疲勞極限高。具有多重耐沖擊性，低溫沖擊韌性好，當活塞桿斷裂時，斷裂周圍沒有均勻的變形區(qū)域。在斷裂和材料性能分析中，將活塞桿的斷裂判定為疲勞斷裂。

預先判斷出活塞桿和止推環(huán)的接觸部分位于側(cè)面，在重新組裝活塞桿和十字頭時液壓泵的壓力消失。壓力過大會導致活塞桿的膨脹超過正常值，由于在活塞桿的拉伸部分中過度拉伸應力的持續(xù)作用，活塞桿材料會迅速屈服，從而導致疲勞失效。如果壓力不足，則滿足連接活塞桿和十字頭所需的預緊力，并且在活塞桿的往復運動期間交變力增加，這會增加疲勞裂紋的發(fā)生率并引起疲勞失敗。

3 優(yōu)化與改進措施

經(jīng)過分析和研究，對工藝流程進行部分轉(zhuǎn)換，并充分利用原始設備，以最大程度地減少轉(zhuǎn)換投資。

3.1 壓縮過程

在壓縮機第一級的出口處更換萘去除系統(tǒng)的主管路，將直徑更改為DN250，以使壓縮機提供的焦爐氣量可以順利進入萘去除系統(tǒng)并去除萘雜質(zhì)。為了減少轉(zhuǎn)化投資，壓縮機配置保持不變，而萘去除系統(tǒng)保持不變。當兩個壓縮機同時運行時，可能發(fā)生壓縮機的氣缸偏離，增加壓縮機的故障率。最佳的壓縮機配置仍然是一打開和一待機，避免出現(xiàn)當前問題。

3.2 預處理過程

在預處理系統(tǒng)之前，新的除油過濾器已添加到三級出口集管中，已添加可串聯(lián)和并行運行的除油塔系統(tǒng)，在新添加的除油裝置的底部設有下水道自動污水處理系統(tǒng)塔。通過加熱解析氣體再生管線以及相關的支撐管配件和閥門增加除油塔，防止氣體中的石油進入預處理系統(tǒng)，確保預處理的效果。

3.3 變壓吸附工藝

此過程將原始的5-1-3PSA 過程更改為6-2-3PSA 過程。添加新的吸附塔T302F。同時，使用原始吸附劑和新添加的吸附劑調(diào)整比例并重新填充。修改后的特定過程如下：將預處理的煉焦爐氣體以吸附狀態(tài)同時引入到兩個吸附塔中，位于塔底部。在吸附劑的選擇性吸附狀態(tài)下，除氫以外的大多數(shù)氫雜質(zhì)是純度為99.9%或更高的粗氫，并從塔頂排出并送至凈化過程。

當吸附的雜質(zhì)傳至區(qū)域的前側(cè)（稱為吸附前側(cè)）到達床出口保留部分中的某個位置時，吸附停止并且再生過程被轉(zhuǎn)移。在此過程之后，吸附塔完成一個完整的“吸附—再生”循環(huán)，并準備進行下一次吸附。6 個吸附塔交替執(zhí)行上述吸附和再生操作（始終有兩個處于吸附狀態(tài)的吸附塔）。實現(xiàn)氣體的連續(xù)分離和凈化。

添加除油塔和除油裝置，以確保在煉焦爐煤氣通過壓縮機的三級出口后，沒有油進入預處理系統(tǒng)，并確保預處理系統(tǒng)的吸附。同時，變壓吸附工藝從現(xiàn)有的5-1-3 工藝變?yōu)?-2-3 工藝，在不增加吸附劑總量的情況下，提高吸附劑的利用率。更改后的流程比原始流程要好。調(diào)整吸附劑的比例后，可以完全滿足產(chǎn)物氣指數(shù)的要求。

3.4 活塞桿處理

由于氣缸碰撞故障，需要對壓縮機進行檢查，除了根據(jù)維護規(guī)定進行維護以外，還應重點進行以下維護：①使用專用工具，以150 MPa 的壓力將新活塞桿壓3 次，保持1 h，然后檢查活塞桿的彈性變形是否存在塑性變形；②安裝連桿大頭瓦后，將連桿緊固螺栓按131.5 MPa 的壓力擰緊，伸長率應為0.53 mm。需要使用專用工具進行壓力測試，認證后可重新安裝；③在連接活塞桿和活塞時，首先轉(zhuǎn)動活塞桿螺母以確保兩個活塞完全吻合，然后使用電加熱棒加熱活塞桿以擴大活塞桿螺紋，然后旋轉(zhuǎn)螺母冷卻后起到預緊的作用；④根據(jù)制造商提供的壓縮機主連接螺栓緊固扭矩表，使用扭矩扳手固定重要的緊固部件，例如活塞桿螺母、機身的連接螺栓和連接缸。連桿螺栓和曲軸連接螺栓按標準緊固；⑤根據(jù)各部分的裝配間隙表，調(diào)整主軸承的徑向游隙、連桿大端襯套的徑向游隙和連桿小端襯套的徑向游隙，使其達到標準要求。

3.5 優(yōu)化后耗能對比

制氫壓縮機優(yōu)化前后參數(shù)對比見表1。

表1 制氫壓縮機優(yōu)化前后參數(shù)對比

壓縮機重整后，回流閥完全關閉，在相同的泵流量下，電流顯著下降。目前，當天然氣壓力低時，壓縮機中的電流約為50 A，而當天然氣壓力高時，電流為42 A。以每小時節(jié)省10 A 計算，每年可以節(jié)省電504 MW·h，電價為0.4 元/（kW·h），每年可以節(jié)省20 萬元，經(jīng)濟效益顯著。由于壓縮機的額定功率相對較小，因此用于大型往復式壓縮機更為有利。

4 結束語

通過有效的檢修方法進行故障處理，消除壓縮機故障，實現(xiàn)設備安全、穩(wěn)定、長周期運行，同時為同類設備避免撞缸故障發(fā)生提供經(jīng)驗。