壓縮機(jī)的改造及實(shí)施效果評估

郭曉永

（山西潞安精細(xì)化學(xué)品公司，山西 長治 046000）

引言

壓縮機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過程中頻發(fā)出現(xiàn)氣閥密封失效甚至出現(xiàn)閥片斷裂。造成一級二級壓力值出現(xiàn)排氣超壓現(xiàn)象，三級安全閥起跳，四級排氣壓力超限，給壓縮機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來極大安全隱患，威脅到了正常的工藝生產(chǎn)過程，造成了大量人力財(cái)力的浪費(fèi)。

1 故障監(jiān)測現(xiàn)狀

對壓縮機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)的各機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，如下表1 所示。主要通過對四級壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析壓縮機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)以及出現(xiàn)運(yùn)行異常工況時(shí)的排氣壓力、吸氣溫度以及排氣溫度之間的差值，以起到對壓縮機(jī)運(yùn)行異常工況的監(jiān)測后處理效果。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，該壓縮機(jī)因設(shè)備運(yùn)行故障，僅一次維修消耗需人工及材料費(fèi)用5 萬余元，每年設(shè)備維護(hù)費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)效益較差。

表1 壓縮機(jī)設(shè)備各級壓力溫度運(yùn)行工況

2 壓縮機(jī)設(shè)備故障分析

通過對壓縮機(jī)設(shè)備在異常工況下的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，可以看出故障發(fā)生在第四級，排氣壓力大幅超出正常范圍。通過對壓縮機(jī)設(shè)備拆除檢修發(fā)現(xiàn)，吸壓閥閥片4 只中有2 只未出現(xiàn)損壞，而另外2 只吸壓閥閥片已黏附在設(shè)備上且變形嚴(yán)重，基本與閥座發(fā)生粘連。而排氣閥彈簧螺栓等構(gòu)件磨損情況較淺，密封墊片也未出現(xiàn)破損，活塞環(huán)以及支撐環(huán)未出現(xiàn)較大變形，磨損情況較輕[1]。

2.1 閥片黏附溫度分析

該壓縮機(jī)閥片材料為PEEK 聚醚醚酮，最高溫度限制為250 ℃，但實(shí)際運(yùn)行過程中，閥片在200 ℃高溫下便會開始出現(xiàn)變形情況，造成閥片與機(jī)座之間的泄露問題。而且PEEK 材料出現(xiàn)變形的原因還會受到外界壓力的影響，在低溫壓力較小時(shí)，閥片的變形情況不會特別明顯，但在溫度增大壓力也增大時(shí)，閥片變形情況則大幅增加，圖1 為閥片變形量與溫度應(yīng)力的關(guān)系圖[2]。

基于閥片材質(zhì)影響可以進(jìn)行初步判斷，在壓縮機(jī)設(shè)備運(yùn)行過程中因?yàn)樗募壟艢鉁囟容^高，導(dǎo)致的超出閥片承受范圍而出現(xiàn)大幅變形泄露。實(shí)際監(jiān)測壓縮機(jī)故障前的排氣溫度為138 ℃，進(jìn)氣溫度35 ℃，可以看出，高溫出現(xiàn)的原因是壓縮機(jī)設(shè)備內(nèi)部故障。也就是壓縮機(jī)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)沒有外界高溫介入，單純由于排氣閥泄露的原因，使得本該排出的高溫氣體再次進(jìn)行壓縮，導(dǎo)致的溫度越來越高，直到超過閥片變形溫度，造成致的閥片破壞。基于氣閥機(jī)構(gòu)出現(xiàn)泄露情況的原因依據(jù)工程實(shí)踐可以判斷出，閥片在接觸到升程限制器時(shí)未回到閥座而造成的大范圍通道泄露，從而導(dǎo)致的高溫排氣氣體再次回到氣缸進(jìn)行壓縮。通過對排氣壓力進(jìn)行分析，出口側(cè)排氣壓力為7 MPa，而進(jìn)口吸氣側(cè)壓力只有3.1 MPa，也就是說排氣側(cè)空氣更容易再次回到氣缸進(jìn)行壓縮，從而導(dǎo)致排氣氣體溫度過高，造成閥片元件黏附現(xiàn)象。

2.2 閥片卡塞故障分析

該氣閥在構(gòu)造上是依靠固定凸臺上下運(yùn)動進(jìn)行導(dǎo)向的，通過壓力差與彈簧進(jìn)行上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)吸氣排氣功能，凸臺與閥片之間的間距為0.2 mm 左右。該氣缸在運(yùn)行過程中需要進(jìn)行潤滑，而油潤滑過程中一旦排氣溫度超過145 ℃，潤滑油就會因?yàn)闅饣壒试诳諝庵蟹e聚產(chǎn)生霧氣；而且又因過濾裝置為多層鐵絲網(wǎng)疊加結(jié)構(gòu)，長期使用過程中很容易出現(xiàn)灰塵堵塞情況。因此，在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中上述兩種情況進(jìn)行混合，就會造成油霧與灰塵同時(shí)沉降造成設(shè)備卡塞現(xiàn)象。通過對壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行拆除也可以得到以上結(jié)果，導(dǎo)致了各吸氣、排氣部位的卡塞積聚情況，其中各氣閥閥徑參數(shù)如表2 所示[3]。

表2 各級吸、排氣閥閥徑參數(shù)表

通過表2 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，前三級排、吸氣閥的流通面積以及閥片升程較大，且二、三級排、吸氣閥的閥徑參數(shù)較為接近，而四級排、吸氣閥在流通面積以及行程方面參數(shù)較小，很容易出現(xiàn)上述油霧灰塵的積聚現(xiàn)象，導(dǎo)致流通面積等的進(jìn)一步減小，直至間隙卡塞為0 時(shí)，升程進(jìn)一步降低，影響到閥片與閥座的密封性能。上述兩種情況同時(shí)作用時(shí)，便逐漸使閥片結(jié)構(gòu)失去其使用性能，也就解釋了四級吸、排氣閥更容易出現(xiàn)故障的原因。造成了排氣溫度急劇升高時(shí)閥片黏附閥座現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 壓縮機(jī)排氣口改造

通過對上述原因進(jìn)行分析可以看出，閥片出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象是基于空氣中的油潤滑效果以及灰塵吸附造成的，因此通過安裝過濾器裝置進(jìn)行降塵并改變潤滑方式，并及時(shí)對壓縮機(jī)內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行去污處理，可明顯減緩壓縮機(jī)設(shè)備的卡塞現(xiàn)象。

3.1 空氣過濾器設(shè)備

由于常用空氣過濾器裝置過濾口為多層鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對灰塵等過濾精度較低。因此對空氣過濾器設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，可通過更換為紡補(bǔ)濾芯增強(qiáng)過濾效果，初步設(shè)計(jì)結(jié)果選用過濾精度為0.5 nm 的紡布，借鑒鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備濾芯選型，增強(qiáng)過濾效果。

3.2 無油潤滑改造

閥片設(shè)備材質(zhì)為PEEK，該材質(zhì)具備一定的自潤滑效果，但完全無油潤滑時(shí)，壓縮機(jī)活塞環(huán)、支撐環(huán)等構(gòu)件的磨損情況會特別嚴(yán)重，因此僅對第三、四級氣閥進(jìn)行無油潤滑處理，同時(shí)適當(dāng)增大四級排氣閥的流通面積，避免灰塵及油霧混合體的積聚現(xiàn)象。無油潤滑處理可通過對PEEK 材質(zhì)增添青銅粉、石墨、碳以及各類金屬氧化物等，來改變材料的磨損因子。以青銅粉為例進(jìn)行分析，如圖2 所示[4]。

圖2 磨損因子與青銅粉含量變化曲線

可以看出，青銅粉含量并不是越高越好，隨著青銅粉含量的升高，磨損因子在隨之降低，但青銅粉占比過大，超過50%之后就會對鑄造工藝造成很大限制，同時(shí)在68%左右時(shí)磨損因子已降至最低。除此之外，磨損因子還會因壓力、溫度等因素而變化，壓力溫度值越高，磨損因子也就隨之增加，而在增添石墨、碳等材料時(shí)受到的影響較小。此外，在保證壓縮機(jī)氣閥性能不受影響的情況下，可通過適當(dāng)增加氣閥的閥片升程，來避免油霧、灰塵混合物造成的卡塞現(xiàn)象，同時(shí)也可通過適當(dāng)增加閥隙的流通面積來達(dá)到這一效果，增強(qiáng)閥座密封面的清理效果。最后可對活塞環(huán)、支撐環(huán)等構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)更換處理，并對緩沖罐、分離器等構(gòu)件進(jìn)行清洗，來對壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，并進(jìn)行后續(xù)的改造性能測試。

4 改造效果評估

通過對改造后的壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行間隔運(yùn)行，并在4 個(gè)月后進(jìn)行效果評估發(fā)現(xiàn)，4 個(gè)月之內(nèi)壓縮機(jī)設(shè)備并未出現(xiàn)四級氣閥的故障現(xiàn)象，其余部件均運(yùn)行良好。因此可以得出結(jié)論，經(jīng)過對壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行空氣過濾器以及無油潤滑氣閥材質(zhì)改造處理，壓縮機(jī)設(shè)備的故障發(fā)生率大幅下降，設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠，維護(hù)成本大大降低。

5 結(jié)論

通過對壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行氣閥故障分析，并進(jìn)行針對性設(shè)備改造優(yōu)化得出以下結(jié)論：

1）對于壓縮機(jī)設(shè)備在外界空氣吸入過程中，會因大量灰塵吸入造成設(shè)備管路卡塞，需要對空氣過濾器的過濾精度進(jìn)行合理設(shè)置，選用高效空氣過濾器增強(qiáng)過濾效果。

2）壓縮機(jī)設(shè)備無需持續(xù)運(yùn)行時(shí)，可選用無油潤滑，避免因油霧積聚堵塞管路。

3）可通過增加閥片升程來避免積聚物卡塞氣閥，保證壓縮機(jī)設(shè)備高效平穩(wěn)運(yùn)行。