增压机活塞销的改进与研究

鲁立强

(中国石油集团长城钻探工程有限公司，北京100101)



增压机活塞销的改进与研究

鲁立强

(中国石油集团长城钻探工程有限公司，北京100101)

摘要：主要介绍了压缩机的工作原理及现场使用的8T-903-82B飓风增压机故障情况，分析了设备损坏等原因，对半浮式活塞销的连接方式进行改进，提高设备的使用寿命。实践证明该方法解决了活塞销带来的设备故障等问题。

关键词:压缩机增压机半浮式活塞销

0引言

随着石油钻探技术的提高，欠平衡空气钻井技术也逐渐在油田的后续开发中推广应用。压缩机是空气钻井中必需的设备，它是用于压缩气体介质，提高气体压力能的通用机械。压缩机按工作方式可分为往复式、离心式和回转式3种基本类型。往复式压缩机具有输出压力范围广泛、造价适中、能耗低、适应性强等特点[1]。

在油田钻井领域，压缩机应用极为广泛，其中增压机一般为多级活塞式结构(往复式)。目前公司使用的飓风增压机为往复式压缩机，主要是对低压空气压缩机输出的空气进一步增压，以满足钻井需要的压力，是维系空气泡沫钻井和充气泥浆钻井正常循环携砂的关键设备。在钻井现场往往会因为增压机活塞销断裂影响运转，耽误生产。本文针对增压器段活塞销断裂问题进行了分析研究，并进行了改进，解决了活塞销断裂问题，保证了设备正常运转。

1增压机工作原理与结构

往复式压缩机是依靠活塞的往复运动来实现气体的压缩，达到提高气体压力的目的。如图1，压缩机曲轴带动曲拐上的连杆运动，连杆带动十字头滑块和与滑块上部相连的活塞杆和活塞随着曲轴的选择在气缸上下两个端点之间做往复移动，这两个端点称为“止点”。活塞在两个止点之间移动的距离称为活塞的冲程或行程。只在活塞一侧进行膨胀、进气、压缩和排气4个过程的为单作用式；在活塞两侧进行膨胀、进气、压缩和排气的为双作用式[2]。

1.曲轴；2.连杆；3.十字头；4.活塞杆；5.气缸；6.吸气阀；7.活塞；8.排气阀。图1　往复式压缩机动作原理

图2是压缩机实际工作循环图，图中P1、P2分别为气缸的名义吸气和排气压力；Vh为气缸的工作容积；1-4分别代表工作循环的4个端点。

图2　压缩机实际工作循环图

压缩机工作过程包括膨胀过程、吸气过程、压缩过程、排气过程，完成对气体的再次增压。目前公司使用的飓风增压机增压器部分是由康明斯903发动机改造而来，是一种V型往复式压缩机[3]。

2增压机活塞销损坏情况及原因分析

在肯尼亚项目钻井施工中，部分增压机出现了机油压力降低的情况，同时有一台设备出现机械故障，增压器靠近风扇端右排的一级 1#缸活塞破裂，缸套出现裂纹，活塞销、活塞销衬套磨损较严重，滚针轴承损坏。

通过对损坏增压机的分析判断，有以下3种原因可能导致此设备故障：

1)压缩气缸内活塞环断裂，造成“咬缸”，致使小活塞与大活塞连接处拉裂(为便于描述，压缩缸的活塞气缸称为小活塞小缸套，增压器活塞缸套称为大活塞大缸套)。但是根据拆检后观察小缸套内壁磨损情况进行分析，如果压缩缸发生“咬缸”，缸套内壁应该会出现很深的划痕，缸套情况如图3所示。

由图3可以看出，小缸套内壁比较光滑，无明显的拉缸咬缸的痕迹，因此，可排除此种“咬缸”说法。

2)小活塞与大活塞连接处的连接螺丝松动，小活塞与大活塞连接处有间隙，设备工作运转时不断的冲击磨损，将大活塞越磨越薄，最后致小活塞与大活塞分离。大活塞与小活塞连接处螺丝情况如图4所示。

由图3可以看出，螺帽锁片无变形和损坏，说明螺帽没发生松扣现象，因此排除此种可能。

3)连杆小头处螺丝剪断，固定连杆小头、活塞销、活塞销衬套三者的螺丝使用时间过长，安装扭矩不足或强度不够松动，致使剪断(图5)。由于螺丝剪断后造成活塞销和活塞销衬套产生一定的旋转位移，致使去往活塞销、活塞销滚针轴承的油道封堵。两只活塞销滚针轴承长时间没有润滑，干摩擦损坏散架，掉落在大缸套内发生拉缸，造成后来一系列的损坏[4-6]。

图5　固定连杆小头、活塞销、活塞销衬套三者的螺丝被剪断

3解决措施及使用效果

3.1解决措施

通过上述对比分析，设备故障主要是由于活塞销及衬套的链接方式造成，所以应改变活塞销及衬套连接结构。原来的活塞销衬套和活塞的相对位置是固定的，连杆的摆动依靠活塞销两端的滚针轴承完成。现将半浮式活塞销更换为全浮式活塞销，全浮式活塞销没有两端的滚针轴承，避免了由于润滑不畅导致滚针轴承损坏，从而引起的一系列设备故障。活塞销衬套改为内侧面有油道凹槽的，如图6所示。新活塞销不再和衬套固定在一起，活塞销和衬套直接可以相对转动，不影响润滑油的流通，保证了任何时候活塞销和衬套都能充分润滑[7-8]。

在组装过程中，采用冷装和热装相结合的方式，保证了活塞销衬套与连杆小头的紧固，同时对衬套内壁进行研磨，保证活塞销与衬套之间的间隙适中，设备运转正常。

图6　新旧活塞销及衬套对比图

3.2使用效果

增压机活塞销及衬套在改进后，设备运转平稳，性能良好，活塞销的寿命明显改善，目前已累计运转7 000多小时，没有出现任何故障，达到了设备预期。

4结束语

8T-903-82B增压机是2001年美国Hurricane公司生产，增压器端是由康明斯903发动机改造，早期活塞销都是半浮式滚针轴承方式，由于该方式存在一定的设计缺陷，导致设备在运转过程中出现各种故障，甚至出现顶缸等大事故。因此，准确发现问题并找到解决问题的办法是关键。事实证明，活塞销由半浮式改为全浮式是可行的，能够预防设备故障的出现，提高设备的完好率。

参考文献

[1]邓志安，赵会军，姬忠礼，等. 泵和压缩机[M]. 北京：石油工业出版社，2008.

[2]郁永章. 活塞式压缩机[M]. 北京：机械工业出版社，1982：124-126.

[3]李群山，李传华，单正明，等.利用空气干燥装置提高增压机二级气阀寿命[J].石油矿场机械，2008,37(7)：72-75.

[4]高晶波，徐敏强，张嘉钟．2D12型往复式压缩机气阀故障诊断的时频分析方法[J]．化工机械，2003，30(3)：140-142.

[5]余良俭. 往复压缩机故障诊断技术现状与发展趋势[J].流体机械, 2014,42(1): 36-38.

[6]徐晓东. 浅议往复式压缩机的故障的诊断技术[J].科技与企业，2012(10)278-279.

[7]刘卫华, 郁永章. 往复压缩机故障示功图诊断法研究[J]．压缩机技术，2001(6)9-12.

[8]王金东，赵海洋，于庆江．基于支持向量机的往复压缩机气缸活塞系统故障诊断技术[J]．流体机械，2006，34(7)：43-46.

Improvement research on the piston pin of booster

LU Liqiang

Abstract:This paper mainly introduces the principle of booster compressor, and the failure situations of 8T-903-82B hurricane booster in operation, analyzes why the equipment is damaged. Based on the analysis, the connection of semi-floating piston pin is improved, so that the service life of the equipment is increased. It is proved in real application that the fault caused by piston pin is solved.

Keywords:compressor; booster; semi-floating piston pin

收稿日期：2015-08-25

作者简介：鲁立强(1980-)，男，山东郓城人，汉族，2007年获得中国石油大学(北京)硕士研究生学位，中级工程师，主要从事欠平衡钻井技术研究与项目管理等工作。

中图分类号：Tp

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)01-0089-03