活塞式压缩机故障分析及对策

　　针对二氧化碳压缩机故障频繁问题，分析原因，提出改造备选方案，从经济性分析角度选择最终改造方案，并从理论及数据测量角度验证改造效果，保证了方案的适宜性。

一、前言

　　亿方公司二氧化碳压缩机为二氧化碳气体的输送设备，单台运行，没有备台，控制整个车间的原料输送命脉，是生产中的关键设备。该设备由沈阳气体压缩机厂制造。型号为2D12—80/0.35—5.5，主要性能参数见表1。

表1 二氧化碳压缩机主要性能参数

　　自2008年投用以来，频繁检修，平均周期为23天左右，严重影响生产，增加了维修费用，而且真空技术网认(http://www.chvacuum.com/)为这是装置安全生产的重大隐患。

二、故障现象描述

　　压缩机故障主要表现在二级压缩机支撑环寿命过低，经过多次检修支撑环磨损严重，沿圆周方向不对称分布，与开口方位无关，经统计其磨损方位主要集中在活塞下部，如图1所示。

图1 压缩机支撑环磨损部位

三、故障原因分析

　　相比活塞环，支撑环并非压缩机使用中的易损件，而且其失效形式不是沿径向较均匀的减薄，减薄方位沿重力方向的选择性表现出了活塞在往复运动中，活塞环并没有发挥应有的作用。活塞在运动中同样依靠支撑环的支撑作用，在重力作用下，形成支撑环与气缸壁的机械磨损。使本不应该承受摩擦力的支撑环受到磨损，而使支撑环寿命缩短。

　　活塞环依靠节流与阻塞来密封，其密封原理如图2所示。当环装入气缸后，由于环的弹性，产生预紧力pK，使环紧贴在缸壁上，当气体通过金属表面高低不平的的间隙时，受到节流与阻塞作用，压力自p1降至p2。同时，由于活塞环和环槽间有侧间隙，环紧靠在压力低的一侧。所以在活塞环内表面与环槽间隙处(常称背间隙)，有一个近似等于p1的气体压力(背压)作用着。而沿活塞环外表面作用的气体压力则是变化的，从p1变至p2，其平均值近似等于(p1+p2)/2。这样，便在半径方向产生了一个压力差 Δp ≈p1-(p1+ p2)/2=(p1-p2)/2，这个压力差使活塞环紧贴在缸壁上达到密封作用。同理，在轴上也有一个压力差，把环紧压在环槽的侧面上起密封作用。气缸内压力越大，密封压紧力也越大，活塞环有自紧密封的特点。

图2 压缩机活塞环受力情况

　　经过调查，该二氧化碳压缩机的实际流量仅为2 500m3/h，远小于压缩机的设计额定流量，活塞环在运转中产生的自紧压力Δp小于设计预紧力。结论，由于压缩机型号与实际不匹配，造成活塞环在运转中自紧力不足，往复式压缩机填料函对轴仅具有柔性定位的功能，这导致活塞在往复运动中，活塞部件因重力作用下垂，支撑环下部磨损严重。这是造成压缩机检修周期短的根本原因。

四、改造方案选择

　　从技术的角度，改造方案(见表2)有：一是更换压缩机，按现有工艺参数重新选取合适的压缩机;二是更换气缸衬套，减小缸径至正常流量范围匹配的缸径，并更换活塞;三是选取更加耐磨材质的活塞环及支撑环，并从细节设计上减少支撑环承受摩擦力，达到延长支撑环使用寿命，延长检修周期的目的。

表2 改造备选方案

　　对表2中三种可行备选方案进行使用经济性分析。计算一次性投资，动力费用、维修费合计值，其中维修费用不含自修人工费，按8年使用周期计算，其费用见表3。

表3 改造方案经济性分析

　　从技术可行性及8年寿命周期费用角度换压缩机是最合适的方案，但更换压缩机一次性投资费用偏大，且寿命周期费用优势并不明显，针对公司目前情况，拟采用第3套方案。

五、解决方案

　　1. 减轻活塞重量

　　由原因分析可知，减少活塞因自身重力产生的向下压力，有利于减少活塞环局部磨损。铸铁密度ρ=7.3g/cm3，铸铝密度ρ=2.7g/cm3。原有活塞一半材质为铸铁，另一半为铸铝，将铸铁的一半也更换为铸铝后，作用在活塞上的重力减少至原来的70%。相应由此产生的摩擦力也减少至原来的70%，考虑活塞的重量，相应支撑环寿命也应提高至原来的1.43倍。由于本台设备在气缸排列上属于对称平衡型排列，改变二级气缸活塞重量之后，曲轴往复惯性合力将发生变化，为此，经咨询厂家曲轴往复惯性合力在合理范围之内。改选完毕后，对压缩机振动情况进行数据验证。

　　2. 改变支撑环及活塞环材质及规格

　　原有材质为4F—4，更换后材质为PEEK，与 4F—4相比，有如下优势：一是PEEK滑动特性更好，适合于严格要求低摩擦因数和耐磨用途使用。二是PEEK对交变应力的优良耐疲劳性能出众，可与合金材料媲美。三是优良的自润滑性 。原有活塞为两道支撑环和四道活塞环。为延长支撑环使用寿命，增加支撑环宽度至原来的1.2倍，这样就增加了支撑面受力面积，延长了磨损时间。同时将活塞环减为三道。

六、方案验证

　　1. 机组振动情况验证

　　为研究改造前后机组振动情况，采用VM—63便携式测振仪对气缸端盖及电动机侧轴承部位进行振动监测。机组及二级气缸端面各测点如图3、图4所示。

　　二级气缸端面各测点的位移振值测试数据见表4。

表4 二级气缸端面各测点的位移振值

　　应用测振仪VM—63测得机组二级侧曲轴箱端面各测点的位移振值见表5。

表5 二级侧曲轴箱端面各测点的位移振值

　　表4中数据表明改造后二级活塞端面位移振动位移增大，但增辐小于20%，在厂家提供位移振辐50μm范围之内。

　　由表5数据可以看出曲轴箱端面测点位移振幅几乎没有变化，说明改造后对曲轴轴承几乎没有影响。

　　2. 支撑环磨损数据验证情况

　　连续使用1个月、2个月、3个月和4个月后对支撑环进行磨损检测，具体数据见表6。数据表明压缩机在使用4个月后，支撑环磨损量仍在合格范围之内。

表6 支撑环磨损检测数据

七、结语

　　该压缩机自2012年改造后，运行平稳，每4个月正常检修一次。每年节约检修费用近15万元。改造用最小的投资保障了装置的长周期稳定运行，解决了困扰装置多年的问题，达到了改造目的。