活塞式壓縮機(jī)故障分析及對(duì)策

2014-10-07 劉恒君遼陽石油化纖公司億方工業(yè)公司

　　針對(duì)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)故障頻繁問題，分析原因，提出改造備選方案，從經(jīng)濟(jì)性分析角度選擇最終改造方案，并從理論及數(shù)據(jù)測(cè)量角度驗(yàn)證改造效果，保證了方案的適宜性。

一、前言

　　億方公司二氧化碳?jí)嚎s機(jī)為二氧化碳?xì)怏w的輸送設(shè)備，單臺(tái)運(yùn)行，沒有備臺(tái)，控制整個(gè)車間的原料輸送命脈，是生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備由沈陽氣體壓縮機(jī)廠制造。型號(hào)為2D12—80/0.35—5.5，主要性能參數(shù)見表1。

表1 二氧化碳?jí)嚎s機(jī)主要性能參數(shù)

二氧化碳?jí)嚎s機(jī)主要性能參數(shù)

　　自2008年投用以來，頻繁檢修，平均周期為23天左右，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，增加了維修費(fèi)用，而且真空技術(shù)網(wǎng)認(rèn)(http://www.13house.cn/)為這是裝置安全生產(chǎn)的重大隱患。

二、故障現(xiàn)象描述

　　壓縮機(jī)故障主要表現(xiàn)在二級(jí)壓縮機(jī)支撐環(huán)壽命過低，經(jīng)過多次檢修支撐環(huán)磨損嚴(yán)重，沿圓周方向不對(duì)稱分布，與開口方位無關(guān)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)其磨損方位主要集中在活塞下部，如圖1所示。

壓縮機(jī)支撐環(huán)磨損部位

圖1 壓縮機(jī)支撐環(huán)磨損部位

三、故障原因分析

　　相比活塞環(huán)，支撐環(huán)并非壓縮機(jī)使用中的易損件，而且其失效形式不是沿徑向較均勻的減薄，減薄方位沿重力方向的選擇性表現(xiàn)出了活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，活塞環(huán)并沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用�；钊谶\(yùn)動(dòng)中同樣依靠支撐環(huán)的支撐作用，在重力作用下，形成支撐環(huán)與氣缸壁的機(jī)械磨損。使本不應(yīng)該承受摩擦力的支撐環(huán)受到磨損，而使支撐環(huán)壽命縮短。

　　活塞環(huán)依靠節(jié)流與阻塞來密封，其密封原理如圖2所示。當(dāng)環(huán)裝入氣缸后，由于環(huán)的彈性，產(chǎn)生預(yù)緊力pK，使環(huán)緊貼在缸壁上，當(dāng)氣體通過金屬表面高低不平的的間隙時(shí)，受到節(jié)流與阻塞作用，壓力自p1降至p2。同時(shí)，由于活塞環(huán)和環(huán)槽間有側(cè)間隙，環(huán)緊靠在壓力低的一側(cè)。所以在活塞環(huán)內(nèi)表面與環(huán)槽間隙處(常稱背間隙)，有一個(gè)近似等于p1的氣體壓力(背壓)作用著。而沿活塞環(huán)外表面作用的氣體壓力則是變化的，從p1變至p2，其平均值近似等于(p1+p2)/2。這樣，便在半徑方向產(chǎn)生了一個(gè)壓力差 Δp ≈p1-(p1+ p2)/2=(p1-p2)/2，這個(gè)壓力差使活塞環(huán)緊貼在缸壁上達(dá)到密封作用。同理，在軸上也有一個(gè)壓力差，把環(huán)緊壓在環(huán)槽的側(cè)面上起密封作用。氣缸內(nèi)壓力越大，密封壓緊力也越大，活塞環(huán)有自緊密封的特點(diǎn)。

壓縮機(jī)活塞環(huán)受力情況

圖2 壓縮機(jī)活塞環(huán)受力情況

　　經(jīng)過調(diào)查，該二氧化碳?jí)嚎s機(jī)的實(shí)際流量僅為2 500m3/h，遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)額定流量，活塞環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的自緊壓力Δp小于設(shè)計(jì)預(yù)緊力。結(jié)論，由于壓縮機(jī)型號(hào)與實(shí)際不匹配，造成活塞環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)中自緊力不足，往復(fù)式壓縮機(jī)填料函對(duì)軸僅具有柔性定位的功能，這導(dǎo)致活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，活塞部件因重力作用下垂，支撐環(huán)下部磨損嚴(yán)重。這是造成壓縮機(jī)檢修周期短的根本原因。

四、改造方案選擇

　　從技術(shù)的角度，改造方案(見表2)有：一是更換壓縮機(jī)，按現(xiàn)有工藝參數(shù)重新選取合適的壓縮機(jī);二是更換氣缸襯套，減小缸徑至正常流量范圍匹配的缸徑，并更換活塞;三是選取更加耐磨材質(zhì)的活塞環(huán)及支撐環(huán)，并從細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上減少支撐環(huán)承受摩擦力，達(dá)到延長支撐環(huán)使用壽命，延長檢修周期的目的。

表2 改造備選方案

改造備選方案

　　對(duì)表2中三種可行備選方案進(jìn)行使用經(jīng)濟(jì)性分析。計(jì)算一次性投資，動(dòng)力費(fèi)用、維修費(fèi)合計(jì)值，其中維修費(fèi)用不含自修人工費(fèi)，按8年使用周期計(jì)算，其費(fèi)用見表3。

表3 改造方案經(jīng)濟(jì)性分析

改造方案經(jīng)濟(jì)性分析

　　從技術(shù)可行性及8年壽命周期費(fèi)用角度換壓縮機(jī)是最合適的方案，但更換壓縮機(jī)一次性投資費(fèi)用偏大，且壽命周期費(fèi)用優(yōu)勢(shì)并不明顯，針對(duì)公司目前情況，擬采用第3套方案。

五、解決方案

　　1. 減輕活塞重量

　　由原因分析可知，減少活塞因自身重力產(chǎn)生的向下壓力，有利于減少活塞環(huán)局部磨損。鑄鐵密度ρ=7.3g/cm3，鑄鋁密度ρ=2.7g/cm3。原有活塞一半材質(zhì)為鑄鐵，另一半為鑄鋁，將鑄鐵的一半也更換為鑄鋁后，作用在活塞上的重力減少至原來的70%。相應(yīng)由此產(chǎn)生的摩擦力也減少至原來的70%，考慮活塞的重量，相應(yīng)支撐環(huán)壽命也應(yīng)提高至原來的1.43倍。由于本臺(tái)設(shè)備在氣缸排列上屬于對(duì)稱平衡型排列，改變二級(jí)氣缸活塞重量之后，曲軸往復(fù)慣性合力將發(fā)生變化，為此，經(jīng)咨詢廠家曲軸往復(fù)慣性合力在合理范圍之內(nèi)。改選完畢后，對(duì)壓縮機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

　　2. 改變支撐環(huán)及活塞環(huán)材質(zhì)及規(guī)格

　　原有材質(zhì)為4F—4，更換后材質(zhì)為PEEK，與 4F—4相比，有如下優(yōu)勢(shì)：一是PEEK滑動(dòng)特性更好，適合于嚴(yán)格要求低摩擦因數(shù)和耐磨用途使用。二是PEEK對(duì)交變應(yīng)力的優(yōu)良耐疲勞性能出眾，可與合金材料媲美。三是優(yōu)良的自潤滑性。原有活塞為兩道支撐環(huán)和四道活塞環(huán)。為延長支撐環(huán)使用壽命，增加支撐環(huán)寬度至原來的1.2倍，這樣就增加了支撐面受力面積，延長了磨損時(shí)間。同時(shí)將活塞環(huán)減為三道。