氯甲烷往復式壓縮機故障原因分析及改進措施

胡 錦 周 強 余曉霞 楊 東 李 剛

（寧波巨化化工科技有限公司）

某公司氯甲烷工藝氣體壓縮機的工況為容積流量46 m3/min， 進口壓力0.05 MPa， 排氣壓力0.80 MPa， 氯甲烷壓縮工藝作為該生產裝置的核心工藝，壓縮機的安全、穩定運行是裝置運行水平的風向標。 工藝要求被壓縮工藝氣體中絕對無油，加上工藝氣體流量較小，壓縮比較大，受限于壓縮機生產技術水平和投資成本，故在項目建設初期選用了往復式壓縮機［1］，該項目往復式壓縮機自投用以來，先后暴露出管道共振、填料泄漏等問題，筆者和企業工程技術人員一起對此機型現狀進行分析并做出相應改進，使其能夠達到安全穩定長周期運行的目的。

1 往復式壓縮機現狀

筆者結合實際情況將該往復式壓縮機的運行現狀列舉如下：

a. 故障檢修頻率較高。 該往復式壓縮機投運伊始，連續運行周期僅為2 000～4 000 h，氣閥拆檢、清洗、更換閥片，檢查更換填料、活塞環、支撐環等小修檢修頻次為每年2～3次；主軸瓦、連桿瓦磨損失效更換頻次為每年1～2次。 隨著投用時間的增加，壓縮機大、中、小修的頻次越來越高，每年的檢修費用為15～20萬元， 嚴重影響裝置的穩定生產。

b. 設備、管道的泄漏較多。 往復式壓縮機采用填料密封，隨著運行時間的推移，泄漏量逐漸變大，且泄漏量難以量化，泄漏較大時泄漏氣氮封效果不佳，工藝氣直接泄漏至主軸箱，從主軸箱的呼吸閥外泄，造成較大的安全隱患。 機身主軸箱密封面、 主軸箱與中體接縫滲油現象較普遍，此漏油處理難度大，消漏需拆除曲軸、活塞及氣缸等關鍵部件，消漏費用較高。 此外，油路、氣路管線的測壓、測溫點多采用螺紋接口，在運行過程中，機組周圍油的泄漏點較多且頻繁，造成機組面貌差，維護難。 機組運行會有一定的振動，部分氣路測溫、測壓點長時間運行會有松動滲漏的現象。

c. 變頻調節適用范圍小。 因氯甲烷工況生產負荷波動較大，其中兩臺選用變頻控制，用于應對負荷調整時，降低壓縮機的能耗。 壓縮需采用變頻控制， 能很好地實現負荷在60%～100%范圍可調，壓縮機經濟性能較好。 但另外大流量工況的較大功率的壓縮機，由于大功率低轉速電機變頻驅動引起往復式壓縮機吸排氣有波峰、 波谷值，只能靠飛輪矩平衡電網波動，越大功率驅動的飛輪直徑也越大，且壓縮機反向角太小，潤滑效果不好導致使用壽命短。 變頻成本遠高于實際使用價值，設備變得復雜，后期維護成本高。

d. 壓縮機使用初期，由于支架安裝質量和管道共振引起壓縮機振動超標，密封墊松動泄漏點較多，壓縮機壽命比較短。

2 故障分析及改進措施

2.1 檢修頻率高的原因分析及改進措施

為保證往復式壓縮機的運行狀況良好，需在設計階段進行設計優化，制造階段把控各部件的加工細節，安裝階段規范施工，為降低往復式壓縮機振動提供有力保障，達到降低往復式壓縮機故障檢修頻率的目的。 為降低檢修頻率，筆者圍繞降低往復式壓縮機振動從設計、安裝、使用維護方面進行原因分析及改造。

2.1.1 設計階段

該往復式壓縮機通過往復運動進行氣體壓縮，在吸氣、壓縮、排氣的過程中，壓縮機排氣存在脈動現象，在設計、安裝過程中如果沒有將其減弱、消除，壓縮機管路、機身的振動會非常大，在項目投用初期，由于共振導致管路振動達到4.8 mm/s。過大的管路振動導致壓縮機機身振動，壓縮機運行壽命嚴重受到影響。 經分析，壓縮機管路的振動由其本身的排氣脈動引起，針對這一振動源， 在設計階段必須進行管路脈動分析，嚴格根據脈動分析的結果進行管路應力分析。 在現場配管時，現場管路支撐、管路支撐型式等嚴格按照設計圖紙規范施工，利用專用沉臺和重型管夾將振動源處進行固定，對振動疊加點采用了彈簧支吊架緩振。 通過這一系列的措施，管路振動可大幅降低，機身的振動也能得到有效控制。

2.1.2 現場安裝階段

施工質量把關不嚴、配管應力集中等安裝質量問題也是影響壓縮機壽命的因素之一。 往復式壓縮機安裝時一次找正、二次找正、聯軸器對中、主軸瓦安裝及連桿瓦安裝等均需根據相關規范和制造商要求執行。

配管應力問題常被忽略，無論往復式壓縮機還是離心式壓縮機均需進行無應力配管，壓縮機組進出口管線接管安裝質量的好壞與機組本體的質量精度密切相關， 在進出口接管施工后，接管裝配應力過大會導致聯軸器同心度出現偏差，偏差過大時易引起機組的振幅超標、 軸承過熱，嚴重時可導致壓縮機損壞。 因此，為使接管及組對焊接無任何外力作用在機組本體上，應實行無應力接管，即嚴格控制壓縮機接口法蘭安裝的平行偏差、間隙均在規范限定的范圍內，這對確保壓縮機組的安裝精度，保證壓縮機運行時無附加應力，起到了至關重要的作用［2，3］。

2.1.3 使用維護

往復式壓縮機使用過程中，如果使用維護和點檢不到位，不能及時發現隱患，直到壓縮機故障跳機或無法運行時再停機檢修的話，檢修費用高，檢修周期也很長，尤其是部分故障對壓縮機的部件損傷大，如氣缸嚴重磨損、主軸瓦損壞嚴重及主軸受損等致命性故障嚴重影響到壓縮機平衡，壓縮機通過檢修，難以達到最佳運行點，無法保證壓縮機穩定運行。 因此，對壓縮機主軸箱、各級氣缸等幾個關鍵部位增加了在線測振儀，實時監測壓縮機運行振動加速度、速度、位移、波形和頻譜（圖1為手機端顯示畫面），同步將軸瓦溫度、 氣缸溫度及振動速度值等數據上傳分析，并繪制趨勢圖等， 可進行數據分析判斷壓縮機狀態，做好預防性維護、檢修等工作。

圖1 手機端振動數據監測

運行維護和點檢時壓縮機油品的好壞對軸瓦等關鍵摩擦副影響很大， 在日常設備管理中，引入某公司專業管理咨詢團隊，對潤滑油管理的油品存放、進油五定三過濾、加油點標識、潤滑油斑點法測試、油桶出油干燥器檢測等潤滑油管理各個過程進行了標準化管理，同時定期進行油品分析，嚴控潤滑油中的水分、黏度、pH值、殘炭、機械雜質和金屬元素等關鍵指標，確保壓縮機軸瓦和滑道部件能夠有效潤滑，最大可能消除磨損引起的設備故障［4］。

在對原有往復式壓縮機加以改造的前提下，對后續新項目訂貨的往復式壓縮機曲軸采用全平衡設計（圖2）。 傳統往復式壓縮機主軸兩側的連桿前后存在位差，不在同一軸線上，主軸帶動連桿運動時，兩連桿帶著十字頭在主軸的兩側一前一后做往復運動， 這樣主軸存在較大的扭矩，主軸瓦、連桿瓦均受到不同程度的應力，經過一段時間的運行后，主軸瓦、連桿瓦出現磨損，壓縮機主軸瓦、連桿瓦的工作壽命一般為4 000～8 000 h，壓縮機難以保證長周期運行。 而將連桿設計為全平衡連桿時，主軸兩側的連桿在一條線上，且經過精確設計計算，主軸兩側的配重基本一致， 壓縮機的運行振動或比以往的成倍減少，且轉速可提升，最高轉速達1 900 r/min，降低壓縮機振動提高壓縮運行時長的同時，壓縮機效率也得到提升。 整體機身的設計，可以較好地保證主軸度的同時，機身各部件受熱應力變形的影響較小，壓縮機的振動可大幅降低。

圖2 全平衡設計曲軸

2.2 泄漏點較多的原因分析及改進措施

往復式壓縮機自投用以來，泄漏問題是一大難題，填料泄漏、隔離室氮氣耗氣、潤滑油的泄漏等，直接影響到生產安全、現場面貌及檢修費用等。 填料泄漏是活塞壓縮機特有的泄漏形式，壓縮機運行時，活塞向曲軸箱方向運動，高壓氣體進入填料盒。 填料環在氣體力的作用下形成3個密封面：徑向環端面與切向環端面貼合形成密封面、 切向環內表面與活塞桿表面貼合形成密封面、切向環端面與下一級填料盒端面貼合形成密封面。 這3個密封面共同作用，阻止氣體泄漏。 活塞反向運動時，氣體通過徑向環的切口間隙流回氣缸［5］。 但隨著運行時間的增長，壓縮機的活塞桿、填料磨損嚴重，泄漏量就會隨之增加，泄漏量較大，對物料造成浪費的同時，安全生產無法保證。

針對泄漏量大的往復式壓縮機，分析其原因主要為填料處溫度高達106 ℃，針對這一情況，對填料盒進行改造， 增加水冷以降低填料運行溫度，延長填料的使用壽命；增加填料氮封，通過壓力平衡，減少工藝氣體的泄漏量；在填料氮封氣漏氣管設置測溫點，通過溫度變化判斷填料泄漏量。 此外嚴格控制壓縮機活塞桿跳動量，跳動量控制在API 618規定和壓縮機廠家運行的范圍內。通過這一系列的改造，在不改變原填料結構的基礎上，填料的漏氣量達到萬分之五左右。

氮氣也是往復式壓縮機的一個高消耗氣體，原有壓縮機為雙隔離室結構，氮氣流程簡圖如圖3所示。 填料密封氮氣①進入填料盒起密封作用，泄漏的填料密封氮氣和泄漏物料氣通過泄漏氣回收口⑤安全排放至尾氣系統；減壓后氮氣③進入中間隔離室起氮封作用，少量的泄漏氮氣通過隔離室填料泄漏至兩側腔體；減壓后氮氣②進入隔離室起安全隔離作用，通過隔離放空口④直接排放至尾氣系統； 這種結構的氮氣②屬于直排氣，一旦投用就一直有氮氣源源不斷地往尾氣系統排放，常年耗氣量比較大。

圖3 原壓縮機氮氣密封氣流程圖

經過對氮氣密封氣密封流程和隔離室填料密封結構稍作改進（圖4），減壓后氮氣②進入隔離室填料盒，填料對氮氣起到密封作用，少量的泄漏氮氣通過隔離放空口④排放至尾氣系統；這一改進措施， 大幅減少了氮氣系統的泄漏量，節約生產成本的同時，降低了尾氣處理的壓力。

圖4 改進后壓縮機氮氣密封氣流程圖

對于主軸箱密封面、中體密封面，以往的壓縮機采用青稞紙、密封膠的形式密封，但這些密封部位的密封面粗糙度低遠達不到密封的要求，經過反復檢修，漏油的部位依然存在，且檢修周期長，檢修費用較高。 針對此問題，對主軸箱、中體密封面漏油處結構形式進行改造，在密封面加工O形圈密封槽，采用O形圈密封，有效解決了壓縮機泵體漏油的現象， 在壓縮機一個大修周期內，漏油點幾乎為零。

氣、油管路漏氣、漏油處多為測溫、測壓點的螺紋連接處。 螺紋密封本來可靠性差、壓縮機運行帶有振動，加速螺紋連接處泄漏，測溫點增加套管、套管與管道焊接，能較好地根除泄漏問題，但對于測壓點的泄漏點，本公司設備專業管理團隊經過多次消漏嘗試，如打密封膠、加密封墊等效果均不佳，運行一段時間后均有滲漏出現。 后期與密封廠家、壓縮機廠家等交流，經過多次改進采用加厚紫銅墊+油麻+厭氧密封膠的密封形式，加厚紫銅墊可以補償螺紋加工的偏差，油麻和密封膠防止油的分子級滲透，這在壓縮機系統的消漏取得了較好的效果，達到了現場無泄漏的管理目標。

3 往復式壓縮機改進后的應用成效

通過改造， 壓縮機及其管路振動大幅降低，軸瓦、活塞、填料的磨損情況得到明顯改善，檢修頻率大幅度降低，壓縮機達到三年一大修一年一小修目標，年檢修成本降低為原來的三分之一。

壓縮機泄漏量、泄漏點有效減少，填料泄漏基本在標準范圍內，節約原料成本的同時，安全性得到有力保證。 油、氣管路泄漏點得到徹底消除，降低現場維護難度，改善現場面貌。

4 結束語

該公司原往復式壓縮機的改造非常成功，從機組的穩定性、安全環保排放、節能和運行成本、檢修成本等方面都有較大的進步，該公司在改造過程中的工藝設計優化、結構設計選型、維護優化經驗， 也為其他相似工況提供了借鑒意義，積累了寶貴的經驗。