整体式天然气发动机压缩机组动力缸损坏原因分析及预防措施

2019-09-05李强

压缩机技术 2019年3期

李强

（中国石油西南油气田公司储气库管理处，重庆渝北401120）

1 引言

在压缩机组保养过程中发现D360-4#机组动力Ⅱ缸活塞头部2道活塞环断裂，活塞环磨损变形，动力Ⅱ缸镜面上死点附近沿整个圆周方向有不同程度的刮伤，刮痕约宽40～50 mm、深1 mm；D360-2#机组动力Ⅱ缸出现类似现象；D360-3#机组动力Ⅰ缸活塞头部第二、三、四道活塞环断裂，活塞与活塞环槽里积炭较多，动力缸排气口部分镜面出现3处脱落现象，第1处为三角形，最宽处约为30 mm、长约50 mm、深约1 mm；第2处长方形，宽约30 mm、长约50 mm、深约1 mm；第3处也是长方形，宽约10 mm、长约50 mm、深约5 mm。经厂家专业人员鉴定，3台机组动力缸已不能再使用，只能更换新的动力缸。

2 动力缸损坏原因分析

2.1 动力活塞环断裂，断裂后刮伤动力缸

动力活塞环是整体式天然气压缩机中发动机的重要部件，它的好坏直接影响发动机的动力性、空燃比和气缸的润滑质量，影响发动机的经济性和使用寿命。发动机在运行过程中，如果动力活塞环断裂，活塞的往复运动将造成动力缸被断裂的活塞环（活塞环为合金铸铁制成）刮伤。

图1 动力活塞组件示意图

2.1.1 动力活塞环密封原理

整体式天然气压缩机发动机共有4道活塞环，活塞头部3道环是用来密封缸头端燃烧室，裙部一道活塞环用来密封曲柄端扫气室，且每道环靠受力端都有一个倒角，便于均布气缸润滑油，见图1。

活塞密封环是用来密封气缸，使活塞体与气缸两端形成燃烧室和扫气室，并帮助气缸散热，同时控制气缸的润滑，使气缸润滑油均匀。

当活塞密封环装入气缸后，由于活塞环的弹性张力，对气缸内壁有预紧力，使活塞环紧贴在气缸内壁上，活塞环的上部受到燃烧室工作压力的作用，被压向靠扫气室一侧紧贴在环槽侧壁上，活塞环内圆表面与环槽底部之间的间隙处，有一个相近工作压力的作用，活塞环两边的压差，再加上活塞环的弹性张力，使活塞环紧贴在气缸壁上达到密封作用。

2.1.2 现场常见动力活塞环损坏的原因

（1）活塞环开口间隙大小，直接影响活塞环的工作效果，间隙过大，泄漏量增大，开口间隙过小，因活塞环受热膨胀产生强制与气缸摩擦，降低气缸的润滑效果，加速活塞环的磨损，严重时发生折断现象或刮伤气缸镜面。

（2）活塞环环槽侧面间隙过大，引起活塞环在槽内颤动，活塞环可能因振动而断裂，并且影响活塞环的密封效果。

（3）活塞环槽积炭过多，使活塞环卡阻，失去灵活性。活塞环受到高温高压交变作用力而断裂。进入动力缸润滑油量过多，活塞杆刮油环漏油，空气滤清器堵塞，在扫气室与曲轴箱之间产生过大的压差，导致曲轴箱润滑油从动力刮油密封组件及活塞杆窜入扫气室，这些都是造成积炭过多的原因。

图2 动力缸盖上的积炭

（4）燃料气中H2S含量高，带液及凝析油进入缸内，加剧积炭形成，导致活塞环断裂。

（5）活塞环因质量差或注油量不够，使气缸润滑不良，造成气缸壁与活塞环温度过高，形成咬死现象。

（6）活塞环与气缸壁磨损超限，使活塞环开口间隙过大，活塞环不易与气缸壁紧贴，引起活塞环颤动而断裂。

（7）点火提前角超前，发动机因峰值压力过高导致活塞环断裂、机组死点位置振动过大。

（8）润滑油质量问题，润滑油中的硫酸灰份的含量高低是形成积炭的首要因素，动力缸使用净化气要求润滑油品中的硫酸灰份不大于0.1%，机组使用的润滑油硫酸灰份大于0.1%。

（9）由于活塞环材质或加工质量差，活塞环受高温高压交变负荷作用，失去弹性、变形疲劳折断。

2.1.3 产生危害

（1）由于动力活塞环的倒角存在问题，造成动力缸积炭过多，见图2。

动力活塞环除密封缸内气体外，还起到帮助活塞体散热和控制气缸壁润滑的作用。活塞环采用合金铸铁制成，其外圆略带锥形（45°），容易与气缸壁磨合并均布润滑油，控制油量，提高活塞环的密封性。如果环外圆表面角度太小，当活塞朝下死点方向运行时，活塞环的刮油效果差，过量的润滑油在动力缸内，容易产生积炭，积炭会产生以下危害：

（a）沉积在活塞顶部及气缸盖中，使燃烧室的容积减小，影响发动机空燃比；

（b）积炭的导热性差，不利气缸的散热，影响发动机功率；

（c）积炭形成的高温颗粒，造成燃料提前点火，使发动机功率降低；

（d）火花塞电极间积炭，使火花塞短路或点火火花变弱，使发动机功率下降；

（e）发动机排气口积炭过多，使排气温度升高；

（f）积炭脱落形成磨料，使摩擦表面之间遭到机械性的磨损；

（g）在进气口形成积炭，减少了进气通道断面，影响进气量，造成燃料混合比不当；

（h）活塞环与环槽之间的积炭，使间隙减少，使活塞环产生卡阻现象，使活塞环失去密封作用，严重时会造成活塞环断裂。

（2）活塞环安装错误，导致活塞环的损坏。

活塞环正确安装是，有倒角一端朝向受力。各道活塞环开口应相互错开，并且活塞环开口不能正对进排气口。如果安装错误会大大降低活塞环的使用寿命。

图3 断裂的活塞环

图4 活塞环断面

图5 刮伤的动力缸镜面（D360-4#机组）

图6 动力缸镜面涂层脱落（Z265-6#机组）

（3）由于质量问题活塞环在气缸内断裂的现象也比较严重，对气缸壁产生一定损伤，见图3、4。

维修人员按月保要求对D360-4#机组进行维护保养，在检查动力缸中体部分时，发现两动力缸刮油环档板损坏，针对这一现状，决定拆开动力活塞对整个动力部分进行全面检查。拆下动力活塞，发现动力Ⅱ缸活塞头部2道活塞环已断裂，活塞环已磨损变形，动力Ⅱ缸镜面上死点附近沿整个圆周方向有不同程度的刮伤，刮痕宽40～50 mm宽、深1 mm。分析造成动力缸镜面刮伤原因在于：机组在运行过程中，由于动力Ⅱ缸第一、第二道活塞环断裂，活塞的往复运动造成动力缸被断裂的活塞环（活塞环为合金铸铁制成）刮伤，见图5。

2.2 压缩机负荷低

机组长期处于低负荷运转。机组运行负荷率仅为额定负荷的32%～77%。长期的低负荷运行对动力缸的损伤相当严重。目前D360-2#、3#、4#三台机组相继出现动力缸损坏，Z265-6#机组动力Ⅰ缸左侧缸头端镜面有一个10 mm2涂层脱落（图6），另外还有2台机组动力缸出现点蚀现象；有大部分机组动力缸的端部圆周方向，都有不同程度的较圆滑的斜面，说明气缸存在椭圆现象，但不严重。图7为D360-3#机组动力Ⅰ缸及活塞损坏情况，损坏程度相当严重。

2.3 装配问题

由于D360机组是进口压缩机零部件来组装的，当时的装配、检测手段有限，导致机组安装使用后，动力缸、活塞环、十字头、铜套、中间轴瓦、连杆大瓦等发生故障较多，动力缸与机身连接螺栓断裂比较频繁。

图7 损伤的动力缸镜面及断裂的活塞环（D360-3#机组）

3 防止动力缸损坏的技术管理

（1）强化压缩机组检修环节的管理。动力活塞环、填料等所有更换件在安装过程中都必须通过技术参数检测，检测合格才能使用，检测数据存入设备检修档案；检修作业应实施过程控制，严格按照技术要求，对动力活塞环槽等关键部分的积炭、毛刺及扫气室清理等环节作彻底清除，避免表面缺陷；拆检过程应就过多积炭等异常现象查找原因，强化相关环节的管理。

（2）加强空气进气系统维护保养。防止曲轴箱润滑油从动力刮油密封组件及活塞杆窜入扫气室，引起动力缸过早过多积炭；空滤器滤网过滤效果较差的应适时更新，避免空气中的硬质颗粒进入动力缸。

（3）点火角度的检查，在检修过程中应按照技术要求检查发动机点火角度，避免点火角度超前或延后，防止发动机功率下降，防止发动机因峰值压力过高导致活塞环断裂、机组死点位置振动过大。

（4）加强燃料气分离器排污及过滤网压差监控，防止燃料气带液及凝析油进入缸内，加剧积炭的形成。

（5）加强润滑油使用管理，防止过多润滑油进入动力缸，动力缸润滑点注油量为2~3滴/冲程；压缩缸、填料润滑点注油量为3~4滴/冲程，填料油量根据密封情况调整，压缩缸油量根据气质参数调整；使用润滑油分配器的机组无油流监视器应在20～30 s时间段内指示灯闪烁一次。防止受污染或变质润滑油进入动力缸。在润滑油选取上，应根据现有润滑油的使用情况，结合发动机润滑油硫酸盐灰份小于0.1%的低灰份、最小闪点204℃、最小倾点-12℃等的技术要求，综合考虑使用现场H2S含量来确定总碱值，环境温度及运行温度确定润滑油的粘度等级、高温粘度指数、低温流动性、化学稳定性、抗氧化和抗腐蚀性能，以减少残炭及灰份堆积。

（6）动力缸工作状况方面：严禁机组超温、超压、超速、超负荷工作。

（7）保证机组冷却系统运行良好，严禁机组缺水或造成冷却水死循环。