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

设备管理与维修 2010年6期

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。