DW-107/7-X 型活塞壓縮機活塞環磨損過快的原因及處理措施

夏 旭

（中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002）

1 故障現象

某站配置的4 臺DW-107/7-X 型活塞式壓縮機組（站內編號為1#～4#），由神鋼無錫壓縮機股份有限公司生產制造。該型壓縮機主要由機身、曲柄連桿機構、活塞、氣缸、進氣緩沖器、排氣緩沖器及冷卻器等部件構成。壓縮機通過曲柄連桿機構將曲軸的旋轉運動變為活塞在氣缸中的往復直線運動。由氣缸、活塞及氣閥組成的工作容積的周期性變化，使氣體在缸內周而復始地完成膨脹、吸氣、壓縮和排氣4 個過程，工作原理見圖1。

圖1 往復式活塞壓縮機工作原理

4 臺機組于2002 年投入使用。壓縮機原維保周期為1 500 h，但按照設備檢修保養規程及以往的保修經驗，單臺機組累計運行約500 h 后就需要更換活塞環。這不僅加大了易損件和人工維保的投入，而且影響科研試驗的正常進行，因此提升活塞環使用壽命對于降低運維成本及提高設備開機率具有重要意義。

2 故障原因分析

2.1 活塞環密封原理

活塞在氣缸內做往復直線運動的過程中，一、二級排氣壓力不斷升高，高壓氣體通過活塞環開口處的間隙，由活塞環側面進入活塞環背面，作用在活塞環的高壓氣體使得活塞環緊緊貼在氣缸表面[1]。密封原理見圖2。

圖2 活塞環密封原理

假設活塞作壓縮行程，氣缸工作容積縮小，則氣體壓力上升，活塞兩側壓力存在差異。高壓氣體通過氣環工作間隙產生節流，壓力由P1降至P2。由于壓力差的作用，活塞環被推向低壓方，即P2方，阻止氣體由環槽端面間隙泄漏。此時，環內表面上作用的氣體壓力近似等于P1，外環表面壓力近似等于（P1+P2）/2。若近似認為內、外環表面積相同，均為A，則在內、外環表面形成的壓差作用力的計算公式為

在此壓差的作用下，活塞環壓在氣缸工作表面，阻止氣體沿氣缸壁泄漏。

2.2 活塞環過度磨損的原因

根據上述原理可知，機組在正常運行過程中不可避免地會出現活塞環磨損，特別是第一道環因壓差大，磨損也大。

2.2.1 氣缸內壁磨損嚴重

由于科研試驗用氣為間斷性用氣，機組在啟停過程中容易對氣缸等部件造成輕微磨損。若工作介質中的灰砂、焦油、水分等進入氣缸，不僅會加劇氣缸、活塞環的磨損，還可能使活塞與氣缸的間隙變大，出現密封不嚴等問題。針對此故障，在廠家維修人員指導下對1#設備進行全面檢查，主要檢查項目及檢查結果如表1所示。

表1 主要檢查項目及結果 單位：mm

從表1 的檢查數據可知，1#活塞式壓縮機組一級氣缸及二級氣缸磨損嚴重，氣缸圓度誤差已超出正常范圍，一級、二級活塞桿磨損量也超出允許范圍。

2.2.2 活塞環設計不合理

第一，活塞環徑向厚度過小。正常磨損的活塞環沿圓周方向各處磨損較為均勻，但開口間隙會變大，雖然設備可以正常運行，但內泄漏會增大。當徑向磨損量超過原始厚度的1/3 時，需更換活塞環。一般活塞環徑向厚度其中D為氣缸內徑。一、二級活塞環厚度分別為30 mm、23 mm，取值已留有富余，滿足使用要求。

第二，活塞環材質選用不當。無油潤滑活塞機上的活塞環材質一般為填充聚四氟乙烯。該材質是由以聚四氟乙烯為基體材料并添加碳纖維、玻璃纖維、石墨、三氧化二鋁、青銅、二硫化鉬等組成的混合物，其中材質組成和配比是影響活塞環使用壽命及性能的關鍵因素。

2.2.3 氣缸溫度過高

非金屬材質的活塞環雖然具備出色的耐磨性、抗腐蝕性等特點，但是不像金屬材料具備優異的導熱性，其散熱慢，無法及時將活塞與氣缸摩擦時產生的熱量傳遞出去。特別是在炎熱的夏季，機組排氣溫度會升高，部分機組一級、二級排氣溫度超過160 ℃[2]，而聚四氟乙烯的耐磨性隨著溫度的升高逐漸降低。根據廠家數據，活塞環最佳使用溫度為110 ℃，當使用溫度超過160 ℃，其耐磨性能將明顯降低。

除活塞環散熱慢外，其他情況也會導致活塞環工作溫度過高。第一，冷卻水壓偏低或進水溫度偏高。在氣缸缸體內壁和缸體外壁之間鑄造有冷卻水套，用于降低氣缸溫度。按照開機要求，在各進回水閥門處于全開狀態時，機組進水壓強不得低于0.25 MPa，進水溫度不得高于32 ℃。冷卻循環水量不足或進水溫度過高均會影響氣缸正常散熱，同時一級排氣冷卻器換熱效果不足會導致二級進氣溫度升高，進一步加劇二級氣缸工作溫度偏高問題[3]。第二，氣缸水套表面或級間冷卻器內積垢、堵塞，影響換熱效果。第三，吸氣、排氣閥泄漏，部分高溫氣體通過故障氣閥回流至氣缸內被再次壓縮。這不僅降低了機組排氣量，而且導致氣缸溫度升高。第四，活塞環的開口間隙過小，活塞環受熱膨脹卡住，加速磨損。

3 處理措施

3.1 返廠維修

針對1#設備的檢測數據，確定如下維修方案。第一，二級氣缸磨損較為嚴重，對氣缸內壁進行珩磨+精加工，以恢復氣缸的粗糙度與圓度，使氣缸內壁表面粗糙度達到0.8 μm。第二，二級活塞桿已無修復價值，對其進行更換。第三，主軸承1、主軸承2、主軸承3 的間隙偏小，是磨損量過大導致的，需要對它們進行更換。該活塞式壓縮機經返廠維修改造后，對表1 中的檢查項目進行復查，結果如表2 所示。

表2 維修后的檢查結果 單位：mm

3.2 重新定制活塞環及活塞

委托設備制造廠家根據修復后的氣缸及活塞尺寸，重新設計、制作活塞環，校核相關結構尺寸，在確保各尺寸滿足結構、強度及可靠性要求的前提下，將活塞材質改為Zl104 鋁合金，并將一級、二級活塞組件的質量減少至357.0 kg、352.5 kg。減輕活塞組件質量，還可有效減少支撐環所受的負荷。根據《石油化工和天然氣工業用往復式壓縮機》（API-618—2007）的相關要求，無油潤滑臥式氣缸、非金屬支撐環所受的負荷不應超過0.035 N·mm-2。經查閱DW-107/7-X 型壓縮機使用維護說明書，一級、二級支撐環承受的負荷分別由0.095 N·mm-2、0.15 N·mm-2降低至0.035 N·mm-2。支撐環上承受的負荷計算公式為

式中：Lb為支撐環上承受的負荷，N·mm-2；MPA為活塞組件的重力，N；MR為活塞桿的重力，N；W為支撐環總寬度，mm。

3.3 更換活塞環材質

委托設備制造廠家將活塞環制作材料更換為增強聚四氟乙烯，并優化成分配比，以提高使用壽命和性能，將使用時長延長至1 500 h。

3.4 檢查及清洗

首先，徹底清洗氣缸、活塞表面，確保無異物殘留，同時更換油浴式進氣消聲過濾器內的100 號L-DAB空氣壓縮機油。

其次，徹底檢查冷卻器管束、氣缸水套內是否存在積垢等問題。經檢查，管束、水套內泥垢較多，使用管刷或硬毛刷與高壓水槍組合的方式，有效清除換熱器芯體、水套表面泥垢，使現場進水壓強達到0.28 MPa，進水溫度穩定在30 ℃左右，以滿足設備運行要求。

再次，利用紅外測溫槍測量一、二級進、排氣氣閥表面溫度。若進、排氣氣閥表面溫度均無較大偏差，可以判量氣閥工作正常。若檢查其存在問題，可以對存在問題的氣閥進行拆解、維修或更換閥片[4]。

最后，核對活塞環的開口間隙，開口量應滿足0.005 倍氣缸直徑的要求。

4 改造成效

改造后的壓縮機組安裝完畢，進行空載及負載調試。負載運行過程中無異常現象[5]。同時，對壓縮機改造前后在額定工況下的流量、電流、振動、排氣溫度、軸承溫度等運行參數進行對比，結果如表3所示。

表3 改造前后設備運行參數對比

由表3 的對比數據可知，改造后該活塞壓縮機在額定工況下的流量略有提高。雖然電流值略有增加，但是仍處于良好范圍，調試運行結果符合DW-107/7-X 型壓縮機使用維護說明書的技術要求，改善效果較為明顯。經實測，1#機組活塞環累計使用1 870 h，維保周期大大延長，維保次數顯著降低。

5 結語

活塞環是實現活塞與氣缸間無油潤滑的關鍵部件，也是易損件。通過選用更優異的自潤滑材質、優化結構尺寸、降低活塞環工作溫度等措施，能夠有效減少活塞環磨損，延長其使用壽命。對比改造前后機組的運行參數，驗證了維修改造的有效性。目前，剩余3 臺設備均已完成升級改造工作，取得了較好成效，以上設備改造經驗可為此類改造提供參考。