往复式抽气压缩机曲轴轴承失效原因分析及对策

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(中国石油 玉门油田分公司 炼油化工总厂, 甘肃 酒泉 735000)

往复式抽气压缩机曲轴轴承失效原因分析及对策

蒋毅，冯李杨，马立刚，石福琛，刘真

(中国石油 玉门油田分公司 炼油化工总厂, 甘肃 酒泉 735000)

针对2D25-115/10.23-BX型往复式抽气压缩机的负荷加载方式不平衡的运行特殊工况，以实际应用为背景，从载荷加载方式,低压瓦斯带液、瓦斯管网压力波动、轴承间隙与润滑油等方面分析了影响曲轴轴承失效的各种因素，并根据实践经验提出了缩减一、二级气缸直径，二级气缸加装干式活衬套以及飞轮增重等相应的解决对策。

压缩机； 轴承； 失效； 负荷加载； 不平衡

玉门油田分公司炼油化工总厂(以下简称玉炼)碳三装置于2007-12建成投产，设计规模10万t/a，用于回收炼油厂各装置排放瓦斯中的碳三以上组分，往复式抽气压缩机(以下简称抽气压缩机)是碳三装置进行低压瓦斯回收的重要技术设备之一。自2012年起，玉炼调整生产加工方案，加工原油重质化，随着汽油加氢、柴油改质等装置的陆续投产，这些装置尾氢的排放造成低压瓦斯中氢组分含量不断上升，导致抽气压缩机的运行负荷加重，实际运行工况与设计工况偏离，动力电机难以维持抽气压缩机的高负荷运行。

为保证装置正常生产运行，2012-09，抽气压缩机被动调整负荷加载方式(非对称加载)，以适应电机的承载负荷。历经3 a非对称负荷加载方式的运行，抽气压缩机曲轴轴承频繁失效，先后于2015-02、2015-07、2015-08进行了3次维修，严重影响了装置的安全平稳运行。文中对此进行了详细的分析，以供同行借鉴。

1 抽气压缩机简介[1-3]

抽气压缩机为固定水冷对称平衡型往复式压缩机，型号2D25-115/10.23-BX，由沈阳气体压缩机股份有限公司设计制造，其主要用途是将低压瓦斯管网内的低压瓦斯通过抽气压缩机升压后送至脱硫装置低压瓦斯脱硫塔进行脱硫处理。

抽气压缩机结构示意图见图1。针对抽气压缩机运行工况的现状，对2012～2014同一时期低压瓦斯组分选取典型值进行分析(表1)。

图1 抽气压缩机示图

由表1可以看出，2012～2014年，低压瓦斯中氢气的质量分数在32.00%～47.00%，超出设计数值3.00%至少10倍。氢气在标准状况下相对密度为0.089 9，是密度最小、最轻的气体，难以被压缩。相同体积下，氢气比其他组分含量大。

因此，抽气压缩机在相同吸气量情况下，氢气含量增加，抽气压缩机负荷加重，其实际运行工况与设计工况发生偏离。抽气压缩机配套动力电机电流长时间处于高标准状态，定子温度持续上升。抽气压缩机电机无法承受过高载荷，被动调整载荷加载形式，由1#、4#或2#、3#气阀组变为1#、3#或2#、4#气阀组，以适应电机承载负荷。

2 抽气压缩机曲轴轴承失效原因分析[4-10]

抽气压缩机曲轴轴承采用剖分式滑动轴承(代号4268-3，由特殊合金材料制成，以钨金镀层作为轴承衬)，包裹并支撑曲轴轴颈。润滑油沿轴承油槽进入轴承和轴颈之间，形成油膜起到润滑及辅助支撑的作用。

2.1载荷加载方式

抽气压缩机设计载荷加载方式为1#、4#或者2#、3#气阀组。由于对称加载负荷，一、二级气缸做功模式为两级同时吸气、同时排气，曲轴受力始终对称平衡，曲轴轴颈在轴承内运动轨迹保持水平平稳。而将抽气压缩机载荷加载形式调整为1#、3#或者2#、4#组气阀后，仅能以50%负荷运行以适应电机。由于抽气压缩机非对称的载荷加载方式，一、二级气缸做功模式变为两级一侧吸气、另一侧排气，曲轴受力非对称平衡且间歇单侧受力，曲轴轴颈呈偏斜不平稳。

两种载荷加载方式下，曲轴轴颈在轴承内的运动轨迹见图2。

图2 曲轴水平受力示图

由图2可以看出，由于曲轴受力非对称平衡，曲轴轴颈在轴承上的着力点不在轴承底部，1#、3#气阀组加载时靠近下轴承右下方，2#、4#气阀组加载时靠近下轴承左下方。

2.2低压瓦斯带液

2015-02，抽气压缩机正处于冬季运行阶段，由于大气气温低(大气环境温度最低可低于-20 ℃)，低压瓦斯在管网内受低温影响产生的凝液较多。

自2015-02-02，碳三装置低压瓦斯管网带液情况加重，抽气压缩机入口缓冲罐需要平均每2 h排出残液，较正常的12 h排液频次加快，轴承温度出现波动。至2015-02-05T23:12，抽气压缩机润滑油压迅速下降，由0.36 MPa降至0.19 MPa，导致抽气压缩机自保停机(停机联锁值为0.20 MPa)，在对抽气压缩机润滑油箱回油口过滤器进行检查时发现大量金属屑，随即对抽气压缩机进行拆修检查，其磨损情况见图3。

图3 抽气压缩机拆修检查情况

由图3可知，原本曲轴受力非对称平衡，且水平偏移。受低压瓦斯带液影响，液相不易被压缩，在活塞推压后对气缸内的活塞产生反向冲击，而活塞杆等运动部件联动受力后，使曲轴对轴承产生瞬时敲击，接触摩擦后轴承衬表面温度上升，润滑油未能及时冷却，使得轴承与轴承衬温差过大，轴承衬镀层局部脱落，脱落部位延伸至轴承油槽处，形成油路溢出泄放缺口，导致曲轴与轴承间润滑油跑油严重，不能起到良好的润滑效果。

2.3瓦斯管网压力波动

碳三装置自开工以来，低压瓦斯管网压力一直波动较大，管网压力为15～75 kPa。瓦斯管网压力波动大，管网压力的瞬时升高引起抽气压缩机的负荷变动，给气缸内活塞及连杆造成瞬间冲击，使曲轴轴颈与轴承瞬间发生刚性接触，加重轴承衬的磨损，导致轴承失效。

2015-07-13T10：50，瓦斯管网压力出现明显波动，抽气压缩机油压缓慢下降，前端、输出端轴承温度均缓慢上升，前端轴承温度由49.30 ℃上升至53.90 ℃，输出端轴承温度由50.40 ℃上升至54.10 ℃。

2015-07-13T12：20，前端、输出端轴承温度再次升高，前端轴承温度由53.90 ℃上升至57.90 ℃，输出端轴承温度由54.10 ℃上升至58.70 ℃，而抽气压缩机曲轴轴承温度停机联锁设定值为60 ℃。在降低抽气压缩机运行负荷无效后，于20 min后进行了停机操作。随即对抽气压缩机进行拆机检查，用塞尺测量输出端轴承间隙为0.45 mm，而曲轴与轴承间隙标准为0.17～0.27 mm。轴承拆检情况见图4。

图4 前端、输出端轴承拆检情况

从图4拆检情况可知，前端上轴瓦半侧有明显接触痕迹，而下轴瓦半侧也有明显接触痕迹，输出端上、下轴瓦与前端上、下轴瓦情况一致，说明曲轴轴颈与轴承的接触面不在正常情况下的轴承支撑面底部，同时印证了前文中对曲轴在非对称平衡状态下曲轴轴颈的运动轨迹判断。

单侧间歇受力使得曲轴轴颈在轴承内的运动呈非水平跳跃轨迹，会造成轴承衬磨损减薄，轴承间隙增大，润滑油膜难以形成，继而导致轴承温度升高。

2.4轴承间隙与润滑油

2015-07-13停机维修之后不久，2015-08-16T17∶00，抽气压缩机又因低压瓦斯管网压力波动，出现前端、输出端轴承温度升高，而输出端轴承温度上升较前端轴承温度上升速度快的现象，抽气压缩机被动停机拆检。此次拆检发现前端、输出端轴承衬镀层脱落面积较2015-07-13拆修时脱落面积小。因此，可以判断升温原因为轴承间隙过大导致冷却润滑油量不足。

2015-02-05，2015-07-13两次轴承安装间隙统计结果见表2。

表2 轴承安装间隙统计 mm

图5 曲轴润滑油行程图

综上所述，抽气压缩机采用非对称载荷加载方式，曲轴受一、二级气缸非对称吸、排气做功影响，受力不平衡造成曲轴轴颈在轴承内运动轨迹呈非水平且不稳定状态。抽气压缩机运行时，易受到管网压力波动、瓦斯带液及处理负荷变化等因素的影响，造成曲轴轴颈对轴承产生瞬时敲击而发生刚性接触，由此加速了曲轴轴承磨损，造成了曲轴轴承失效。

3 改进措施[11-15]

2016-03～06，结合抽气压缩机实际处理瓦斯组分情况及低压瓦斯管网运行工况，在原动力电机不变的前提下，重新核算设计抽气压缩机缸体，对抽气压缩机进行改造：①重新设计一级气缸，气缸直径由1 170 mm缩减到860 mm。②将二级气缸加装干式活衬套，缸体直径由580 mm缩减到560 mm。③重新设计飞轮，飞轮增重至2.36 t，以适应原动力电机，其余技术参数与原机相同。

改造后压缩机可以满负荷加载，载荷加载方式恢复为1#、4#或2#、3#气阀组，使抽气压缩机一、二级气缸同时吸气、排气，曲轴受力对称平衡，且在轴承内运动水平平稳。

4 结语

通过对抽气压缩机轴承失效原因的分析，提出了相应对策，解决了因实际运行工况不符、电机超负荷运行而被动调整抽气压缩机载荷加载形式，使曲轴受力不平衡导致轴承失效的根本问题。改造后的压缩机运行工况符合生产实际，保证了抽气压缩机长周期的稳定运行。

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(许编)

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例:[1]罗小平,黎廷新,李添详,等.聚四氟乙烯膨胀节内压爆破试验研究[J].石油化工设备, 1999,28(3):1-5.

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例:[2]陈浩元.科技期刊标准化18讲[M].北京:北京师范大学出版社,1998∶15-25.

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AnalysisofCausesandCountermeasuresofReciprocatingAirCompressorCrankshaftBearingFailure

JIANGYi,FENGLi-yang,MALi-gang,SHIFu-chen，LIUZhen

(Refinery and Chemistry Craft Plant, Yumen Oilfield Company of CNPC, Jiuquan 735000, China)

Aiming at crankshaft bearing shell failure with the special working conditions of 2D25-115/10.23-BX type reciprocating compressor under unbalance loading, causes analysis from aspects covering loading mode, liquid carryover of low pressure gas, pressure fluctuation of low gas piping net, bearing clearance and lubrication etc. are expatiated based on actual application. Corresponding countermeasures including reducing the 1st stage and the 2nd stage cylinder diameter, adding dry detatchable sleeve and enhancing fly wheel weight etc. to the 2nd stage cylinder based on operation experience.

compressor; bearing; failure; load; unbalanced

TQ050.7； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.014

1000-7466(2017)04-0071-05①

2017-02-26

蒋 毅(1984-)，男，甘肃甘谷人，助理工程师，学士，主要从事石油化工设备管理工作。