往復(fù)壓縮機(jī)連桿小頭瓦燒損原因分析及改進(jìn)措施
2020-09-16 1 引言
新氫壓縮機(jī)是山東石大科技石化有限公司加制氫裝置用以輸送氫氣的往復(fù)壓縮機(jī)，是山東石大科技石化有限公司制氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。該設(shè)備型號(hào)DW-36.2/5-34-X，流量800 Nm3/min，出口壓力8.0 MPa，一開(kāi)一備運(yùn)行方式。該設(shè)備自2012年12月份投用后一個(gè)月，出現(xiàn)潤(rùn)滑油過(guò)濾器壓差大報(bào)警現(xiàn)象，在對(duì)潤(rùn)滑油過(guò)濾器拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，濾網(wǎng)上有銀白色金屬屑，初步判斷為軸瓦磨損所致。在對(duì)壓縮機(jī)停機(jī)拆檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)機(jī)組連桿小頭襯套和十字頭銷均燒損粘結(jié)一起。為此，我們從機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配等方面，對(duì)連桿小頭瓦燒損進(jìn)行原因分析及可行性改造，提高了機(jī)組的安全性能，確保了裝置平穩(wěn)生產(chǎn)。
2 連桿小頭軸瓦受力潤(rùn)滑分析
連桿是曲軸與十字頭或活塞之間的連接部件，活塞運(yùn)行時(shí)，作用在活塞上的氣體力就會(huì)傳遞給曲軸?；钊谥本€往復(fù)運(yùn)行過(guò)程中受到拉和壓2個(gè)作用力，在拉和壓作用力的作用下，使得十字頭銷反復(fù)壓緊小頭瓦的兩側(cè)。當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體力便通過(guò)連桿傳遞到軸瓦，使得小頭瓦一側(cè)受力壓緊，因?yàn)槭诸^銷與連桿小頭軸瓦配合是有間隙的，則另一側(cè)便會(huì)出現(xiàn)間隙，潤(rùn)滑油就在壓力作用下流入該間隙，當(dāng)作用力方向改變時(shí)，軸瓦原來(lái)受壓一側(cè)則會(huì)出現(xiàn)間隙，而留有間隙的一側(cè)因受力又被壓緊。如果壓縮機(jī)活塞在運(yùn)行過(guò)程中只受一個(gè)方向的力，在單向力的作用下十字頭銷始終只壓緊連桿小頭瓦的一側(cè)，造成小頭瓦受壓側(cè)沒(méi)有間隙，潤(rùn)滑油無(wú)法進(jìn)入潤(rùn)滑和冷卻。所以，作用在軸瓦上的氣體力方向必須改變，以便使得連桿小頭瓦兩側(cè)反復(fù)出現(xiàn)間隙得到潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑和冷卻。
作用到連桿小頭瓦上作用力方向的改變必須要持續(xù)一定的時(shí)間，才能保證潤(rùn)滑油充分流入軸瓦并起到作用。作用力方向改變需要持續(xù)的時(shí)間用曲軸轉(zhuǎn)角來(lái)定義稱之為壓縮機(jī)的“反向角”，API618標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定反向角不小于15°，假設(shè)反向角設(shè)計(jì)偏小或活塞桿反向負(fù)荷不存在，十字頭銷與連桿小頭襯套就會(huì)因?yàn)槿鄙贊?rùn)滑和冷卻而燒損。
3 軸瓦失效情況及原因分析
DW-36.2/5-34-X新氫壓縮機(jī)是新投用壓縮機(jī)，在機(jī)組試車時(shí)，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均正常。開(kāi)工投用后不久，出現(xiàn)壓縮機(jī)油過(guò)濾器壓差偏高。起初只是以為新機(jī)組投用潤(rùn)滑油箱及潤(rùn)滑管道不清潔造成過(guò)濾器壓差偏高，在進(jìn)行濾芯清洗后機(jī)組投用正常。然而，機(jī)組運(yùn)行未到8 h，又出現(xiàn)潤(rùn)滑油過(guò)濾器壓差高報(bào)警，在對(duì)過(guò)濾器拆檢清洗時(shí)發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油內(nèi)含有大量金屬屑，于是推斷機(jī)組軸瓦出現(xiàn)磨損導(dǎo)致軸瓦金屬屑進(jìn)入潤(rùn)滑油。
對(duì)機(jī)組拆檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)二級(jí)連桿小頭瓦與十字頭銷已經(jīng)嚴(yán)重?zé)Y(jié)咬合不能轉(zhuǎn)動(dòng)，正常的拆卸方法已經(jīng)無(wú)法將十字頭銷取出；我們一邊用專用拉馬拉住十字頭銷，一邊用大銅錘在十字頭銷的另一側(cè)進(jìn)行敲擊，最終慢慢將十字頭銷取出。十字頭取出后發(fā)現(xiàn)，小頭瓦銅套內(nèi)表面磨損嚴(yán)重，表面發(fā)黑并有咬合現(xiàn)象，小頭瓦內(nèi)孔已變橢圓，十字頭銷表面附著大量金屬屑。影響小頭瓦燒損的因素很多，根據(jù)我們的工作經(jīng)驗(yàn)，軸瓦潤(rùn)滑不足、壓縮機(jī)反向角小是造成軸瓦燒損的主要原因。
3.1 反向角影響因素分析
我們通過(guò)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿及其傳動(dòng)部件在工作中受力分析可知，如果壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程沒(méi)有活塞桿負(fù)荷反向或足夠大的反向角，就會(huì)造成軸瓦始終受力一側(cè)潤(rùn)滑油無(wú)法進(jìn)入，從而導(dǎo)致燒毀。
排出設(shè)計(jì)因素，壓縮機(jī)氣閥運(yùn)行狀態(tài)的好壞對(duì)反向角影響尤為重要，因?yàn)樗苯佑绊懼钊軞怏w力的大小。如果壓縮機(jī)進(jìn)氣閥出現(xiàn)故障導(dǎo)致嚴(yán)重的泄漏，那么進(jìn)入氣缸的氣體在壓縮過(guò)程中會(huì)有部分經(jīng)泄漏的進(jìn)氣閥返回入口，導(dǎo)致產(chǎn)生在活塞上的氣體力會(huì)明顯減??；而排氣閥出現(xiàn)故障，則出口壓力較高的氣體會(huì)進(jìn)入氣缸，會(huì)對(duì)活塞產(chǎn)生較大的氣體力。以上這些情況都會(huì)導(dǎo)致反向角偏離設(shè)計(jì)要求，假設(shè)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行就會(huì)導(dǎo)致軸瓦缺少潤(rùn)滑冷卻而燒損。在對(duì)機(jī)組拆檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)組所有氣閥閥片密封良好，氣密性符合標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，我們可以排除機(jī)組出現(xiàn)反向角減小或?yàn)?的狀況。
3.2 軸瓦潤(rùn)滑影響因素分析
活塞壓縮機(jī)潤(rùn)滑方式，是通過(guò)采用油泵壓力油強(qiáng)制潤(rùn)滑；潤(rùn)滑油路大致為：曲軸（主軸承）寅連桿大頭寅連桿小頭寅十字頭滑道寅油箱。十字頭銷處的潤(rùn)滑油是由連桿大頭瓦處通過(guò)連桿供油長(zhǎng)孔，進(jìn)入連桿小頭瓦背部與連桿體之間的供油腔內(nèi)，再通過(guò)貫穿小頭瓦的供油孔，進(jìn)入小頭瓦和十字頭銷之間進(jìn)行潤(rùn)滑。
連桿小頭瓦的供油均來(lái)自于與瓦背供油腔相通的寬度12 mm的油槽，在瓦背油槽處沿圓周均勻排列16個(gè)漬8 mm通油孔。在軸瓦內(nèi)面通油孔處，沿軸向開(kāi)始回油槽。這種結(jié)構(gòu)可以使?jié)櫥晚樌剡M(jìn)入軸瓦與十字頭銷的間隙。潤(rùn)滑油從通油孔進(jìn)入后，一側(cè)油進(jìn)入后被旋轉(zhuǎn)著的軸頸帶入楔形間隙中形成動(dòng)壓油膜；另一側(cè)油進(jìn)入后覆蓋在頸上半部，起著冷卻作用，最后油從軸瓦兩端泄出。
我們知道，潤(rùn)滑油膜建立的條件必須是兩相對(duì)滑動(dòng)工作表面間隙必須有變化，且充滿連續(xù)足夠的潤(rùn)滑流體。
從潤(rùn)滑油路可以看出，小頭瓦為潤(rùn)滑油路的末端，由于主軸瓦、連桿大頭瓦處的阻力及泄漏，潤(rùn)滑油到達(dá)連桿小頭瓦與十字頭銷摩擦副時(shí)的流量和壓力都已經(jīng)比較低了，潤(rùn)滑狀態(tài)較差，只留一層附著的表面潤(rùn)滑膜，處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)增大，產(chǎn)生的摩擦熱也增大。軸瓦的內(nèi)面有回油槽，但沒(méi)有與軸瓦側(cè)端面相連，這就增加了潤(rùn)滑油的回油阻力，容易在軸瓦內(nèi)部形成困油現(xiàn)象，這就更增加了在主受力面區(qū)域內(nèi)形成油膜的難度。由此可知，小頭瓦潤(rùn)滑油壓力不足且回油困難是造成軸瓦磨損的主要原因。
4 故障解決辦法及措施
建立潤(rùn)滑油膜是保證小頭瓦穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。我們通過(guò)以下措施，來(lái)解決往復(fù)壓縮機(jī)小頭瓦燒損問(wèn)題。
4.1 對(duì)損壞小頭瓦及十字頭銷進(jìn)行更換，確保其配合間隙連桿小頭瓦與十字頭銷的配合間隙數(shù)據(jù)是很重要的，在檢修更換時(shí)一定要把間隙控制在技術(shù)范圍內(nèi)，如果間隙小于技術(shù)要求，結(jié)果會(huì)引起油溫升高使?jié)櫥屯坎蛔悖Σ凉脑龃?，過(guò)熱的熱量不斷積聚，使軸瓦表面燒損。如果間隙大于技術(shù)要求，會(huì)引起油壓降低，小頭瓦與十字頭銷產(chǎn)生撞擊，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的工作壽命。
為了確保配合間隙及精度，首先用涂色法檢測(cè)十字銷與襯套的貼合面，接觸面積要求達(dá)到70%以上，分布均勻；小頭瓦與十字頭銷之間的配合間隙符合機(jī)組技術(shù)要求。
4.2 對(duì)小頭瓦回油槽進(jìn)行改進(jìn)，保證回油量因?yàn)樾☆^瓦與十字頭銷之間的裝配檢修有一定的技術(shù)要求，不能過(guò)大。因此，在軸瓦的內(nèi)面加工有回油槽，進(jìn)入軸瓦內(nèi)部的潤(rùn)滑油順暢的從軸瓦兩側(cè)流出。但我們拆檢軸瓦發(fā)現(xiàn)，回油槽與軸瓦側(cè)端面是不聯(lián)通的，勢(shì)必造成潤(rùn)滑油在回油槽兩端的堆積，因其排出不暢造成困油現(xiàn)象。十字頭銷與小頭瓦之間摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)被潤(rùn)滑油帶著，便產(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜汽化，嚴(yán)重破壞了十字頭銷與小頭瓦之間的潤(rùn)滑狀態(tài)，導(dǎo)致軸瓦的燒損。
為了能使?jié)櫥图皶r(shí)的排出回油槽，我們?cè)谛☆^瓦兩側(cè)端面加工了寬5 mm，深0.5 mm的泄油溝槽，使其與軸瓦內(nèi)表面的回油槽相通。泄油溝槽深度尺寸不易過(guò)大，既能保證帶走小頭瓦與十字頭銷摩擦產(chǎn)生的熱量，又能保持一定的阻力，防止?jié)櫥托孤┻^(guò)快而破壞油膜的建立。
4.3 確保小頭瓦潤(rùn)滑油量及油壓
為了提高小頭瓦的進(jìn)油量，我們將瓦背通油孔直徑由準(zhǔn)8 mm擴(kuò)大為準(zhǔn)10 mm。同時(shí)，對(duì)潤(rùn)滑油管路進(jìn)行了清洗，更換了油過(guò)濾器芯，以保證潤(rùn)滑油進(jìn)油壓力。通過(guò)以上措施，提高了軸瓦潤(rùn)滑油量，軸瓦摩擦產(chǎn)生的熱量能及時(shí)帶走。潤(rùn)滑油粘度及溫度對(duì)油膜建立影響較大，因此，在機(jī)組日常操作中，嚴(yán)格按照機(jī)組操作說(shuō)明要求控制潤(rùn)滑油各項(xiàng)指標(biāo)，確保潤(rùn)滑油的黏度不宜過(guò)大，同時(shí)要控制好供油溫度，不宜過(guò)低；尤其在冬天，油加熱器功率過(guò)小可能無(wú)法達(dá)到啟動(dòng)油溫，可空載運(yùn)行一段時(shí)間，待潤(rùn)滑油溫度上升后再加載。
來(lái)源：《壓縮機(jī)技術(shù)》
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