DF5.5/3-250天然气压缩机磨损故障原因
2010-04-15侯全兵张可红
侯全兵 梅 利 张可红
一、故障现象
三台1200m3/h的大排量国产往复式压缩天然气压缩机,于2008年4月开始试运行。当机组运行300h换润滑油时,发现二三级活塞杆有拉伤现象,运行至2058h,二、三级活塞杆严重拉伤,耗油量增加,随即更换活塞杆。当运行至4411h时,更换后的活塞杆又再次拉伤,且伴随排量下降,撞击声增大,各级温度异常。与厂家联系后,拆检机组。当打开一级进气阀时,发现里面有许多直径10mm左右的黑色颗粒,经过分析,确认是活塞环断裂的残渣,随后对整机进行拆检。
一级活塞环开口处碎裂,碎裂后的活塞环颗粒通过一级平衡腔回到了一级进气阀处。碎裂的四级活塞环在气缸里磨碎后与润滑油混合,变成黏稠的糊状物紧贴于各部件表面。一级活塞环槽发生轴向磨损,两槽之间的凸台已不存在。
一级气缸内表面附着一层黏稠的糊状物,应是活塞环磨碎后的粉末与润滑油、金属粉末的混合物。气缸直径比标准直径大5mm左右。在气缸进气侧有深深的凹坑,坑深大约3mm。
四级活塞隔环严重磨损,四级活塞为组合式,由衬套和隔环组成。除第八、第九道隔环轻微磨损外,其他每个隔环都有不同程度的磨损,最严重的是第二道隔环,磨损量2.5mm,其中的活塞环已经碎裂。
机组连杆大瓦为二层瓦,外层为10号钢板,内层为巴氏合金。拆下后发现大瓦内表面的巴氏合金已大面积脱落。一四级连杆小瓦与十字头销子烧结抱死,并在上端出现一裂纹。检查小头衬套内表面只存在局部擦亮和色变痕迹,无严重擦伤和磨损现象。
一四级同一活塞杆,二三级同一活塞杆,运行期间活塞杆多次拉伤,拆检下来看,不但圆周方向拉伤,还存在表面脱皮现象。
二、故障原因分析
1.活塞杆多次拉伤的原因
活塞杆材料为40Cr钢,按照厂家提供的使用说明书,该机组的两根活塞杆采用表面热处理为高频淬火,根据正常热处理工艺,高频淬火后的零件表面硬度可达55HRC以上,活塞杆工作段若与铜质的刮油环相配合,活塞杆是不应该被刮油环拉毛,出现拉伤现象。拆检过程中,根据活塞杆的表面颜色与脱皮现象,可以判断,该机组活塞杆不是采用的高频淬火,而是表面镀硬铬。镀铬处理的不合格造成活塞杆的多次拉毛与表皮脱落现象。
2.活塞环槽轴向磨损原因
通常情况下,活塞的使用寿命取决于活塞环槽的磨损量,特别是第一道环槽的磨损量。在活塞上、下往复运动过程中,活塞环不断地撞击活塞环槽,引起环槽平面的磨损。铝合金的机械强度随着温度的升高而急剧降低,所以铝活塞环槽磨损量远远大于铸铁活塞或钢活塞。
机组一级活塞采用铝质活塞,一级活塞环采用PTFE材料,两种材料匹配性不好,设计时膨胀量没有计算好,造成运行过程中活塞环与活塞环槽侧的轴向间隙增大,活塞环在槽中相对运动,往复、径向、回转、扭曲。随着温度的升高,活塞头和活塞环槽发生变形,活塞材料性能下降,环与环槽之间的油膜被破坏,加速了环槽的磨损。环槽的磨损使其与活塞环的配合间隙增大,活塞环的密封性也随着下降,会产生漏气,压力降低。高压气体将活塞环压向气缸壁,致使活塞环折断。活塞环槽的磨损使活塞环槽截面形状由矩形变为梯形或出现磨台,直至将环槽凸台磨完。同样的道理,四级活塞、活塞环的磨损以第一第二道活塞环槽为重为快。
3.连杆瓦损坏原因
(1)合金疲劳。轴瓦在工作过程中承受着油膜压力、摩擦、弯曲、振动等交变载荷,轴瓦耐磨合金容易疲劳,经过较长时间运行将会产生微裂纹,并以由慢到快的速度沿着最大切应力方向由表面向内部扩展,机油渗入裂纹中后对裂纹产生较大的交变挤压作用,加速了裂纹的扩展,逐渐发展呈“网状龟裂”,当裂纹扩展达到巴氏合金与钢坯的结合面并彼此相遇时,巴氏合金层出现小块剥落,最终导致了轴瓦大块剥落。曲柄销的形位误差与表面精度未超标,并且安装、备件质量、润滑油均符合要求,连杆瓦失效的主要原因是合金疲劳。
(2)润滑不良。轴瓦与曲柄销之间的润滑属于动压润滑,在正常情况下处于完全液体摩擦状态,两者表面被润滑油层完全分隔开,曲柄销或十字头销依靠油膜层“托付”在连杆瓦表面上,此时,轴瓦与曲柄销或十字头销的摩擦阻力小,磨损小。但当油质变差,油压下降时,有可能破坏完全液体摩擦状态,导致润滑不良。首先,该机组启动过程中,油箱中的润滑油被加热黏度较小,而滤清器后面油管中的润滑油黏度较大,造成启机时滤清器前后压力差较大,使滤清器瞬间崩裂,滤清器多次的瞬间崩裂,使传动部件各摩擦副处于干摩擦或半干摩擦状态,导致摩擦副一定程度的磨损。其次,活塞、活塞环、缸套严重磨损,大量的金属屑、PEEK粉末聚集在油底壳内,这些杂质进入油中将导致摩擦副的磨粒磨损,摩擦副的磨损进一步引起润滑油品质下降,油品品质变差,黏度下降。黏度下降致使供油压力不足,这样会引起轴瓦与曲柄销之间的最小油膜厚度变小或油膜破裂,油膜厚度变小后可能小于半干摩擦的油膜厚度,使两者发生半干摩擦,油膜破裂易使轴瓦表面产生咬粘,并由此造成的伤痕会成为巴氏合金层新的裂纹源。再者,该机组在拆检时发现,脱落的巴氏合金粉末完全堵塞了连杆大瓦通往小瓦的油道,使得小瓦与十字头销子处于干摩擦状态,摩擦副的干摩擦产生大量的热,使连杆小瓦(铜套)温度急剧升高。当达到一定得程度,小瓦就出现了裂纹。
(3)轴瓦制造质量。巴氏合金层与钢壳结合不牢固,合金层的裂纹、划伤、气孔、夹杂等缺陷均是应力集中源,降低了抗疲劳强度,引起大头瓦巴氏合金裂纹、脱落。
4.缸套磨损原因
(1)磨料磨损是缸套磨损的主要原因。机组一级缸套的材料采用的是HT250,这种材料的特性是强度高、耐磨性好,正常情况下是使用气缸的最佳材料。但该机组出现了活塞、活塞环的异常磨损,磨下来的粉末(铝合金粉末、PEEK粉末等)与润滑油混合,形成一种黑而粘稠的的混合物,紧紧贴合在缸套的内壁与活塞环的外壁,在活塞往复运动的过程中,这种混合物就像磨料一样,加速了缸套的磨损。
(2)安装精度不够是缸套磨损的另一原因。机组为单作用活塞式D型压缩机,活塞杆、缸套较长,缸体笨重,只靠一级缸体、四级缸体上的止口定位,而止口定位,对螺栓的力矩要求又相对较高,对该机组来说,机体与一级缸体的联接螺栓因没有操作空间,无法用力矩扳手对螺栓的力矩进行控制,故不能保证各力矩的大小一致。也就是说,不能保证缸筒与活塞杆的同心度,这也是一级缸筒偏磨的原因之一。
(3)未安装支撑环也是缸套磨损的原因之一。一、二级活塞上未安装支承环,只靠三、四级上的支撑环很难保证一四级、二三级缸筒的同心度。缸筒的不同心,缸筒与活塞杆的不同心,造成活塞杆的严重偏磨。
三、排除故障
通过对DF5.5/3-250往复式CNG压缩机故障的原因分析,对有所有产生故障的因素逐一排除,最终使该机组正常运行。