往复压缩机十字头故障原因研究

陈吉光

（大庆石化公司炼油厂维修车间，黑龙江 大庆 163000）

1 案例简述

根据课题的研究需求以及研究目的，选择某石化炼油厂的往复式压缩机作为研究样本展开研究。该石化炼油厂2003年投用的上海德莱赛兰公司生产的3台三级压缩机设备，用于提高新氢系统压力。该压缩机为三缸体压缩机，其中左侧为一个一级缸体，右侧为一个二级及一个三级缸体，总体呈非结构。设备自投入使用后始终稳定运行，2007年5月在没有任何故障征兆的前提下，突发性十字头损坏，维修后与2009年11月再次损坏，该设备符合惯性十字头故障特征，与课题研究方向相同，故选择其为课题的研究样本，展开研究。

2 案例分析

2.1 故障现象

该厂往复式压缩机设备字2003年引入后一直稳定运行，2007年的5月，巡检员工发现设备在运行过程中出现了极大的异常响动，停机后进行拆解检查，发现电机对侧十字头销板脱落，固定螺丝严重弯曲或已经断裂，锥形套损坏，调整环断裂，金属履损坏，大头瓦严重偏磨。

2007年设备故障维修结束后，回复正常运行2009年11月再次出现了相同状况，再次进行拆解检查，发现电机对侧十字头侧盖板螺栓松动，压板脱落，压板螺栓松动，锥形套损坏。

2.2 故障诊断

（1）诊断步骤。基于故障表象初步判断是由于十字头销受力异常造成的故障，对其诊断可以分为如下三部分。其一，在实验室环境下对十字头进行模拟受力分析，对十字头销受到的应力进行综合分析，重点对综合活塞应力、往复惯性力以及二者的合力分析，并对曲轴转角和气缸压力参数进行测量，以求提高综合活塞力和合力的计算质量。其二，根据测量结果绘制十字头的负载曲线，负载曲线应涵盖综合活塞力、往复惯力以及合力共三条曲线。其三，利用负载曲线分析工作中十字头的实际受力情况，进行故障诊断。

（2）压力信号的测取。在该往复式压缩机设备中，十字头受到的综合活塞压力主要来自于气缸内的气体压缩产生的压力，压力信号的获取精度对压力测量以及应力测量均有直接的关联，并对最终的故障分析结果存在影响，为了提高分析结果的精度，实验研究中构建了引压通道，将缸体内压力引入，然后通过隔离阀以及压力传感器等设备进行动态的压力信号获取。近年来生产的往复式压缩机设备，为了便于压力检查，会在制造中预留取压口，但2010年前生产的往复式压缩机设备均需要建立引压通道来进行压力信号的获取，在引压通道的构建中应注意避免通道长度过长，导致压力信号反应滞后降低压力精度，也要注意直径的选择。具体选择方法如下。

①通道位置的选取。通道位置的选择一般有两种方法及标准，其中是最为直接便捷的方法，在气缸壁的适当位置直接开槽，并安装封隔器，随后连接压力传感器，进行压力信号的动态获取。该方法简单直接，取压距离最短，信号最为准确，但该方法也存在明显的缺陷，由于需要在气缸上开孔，导致对气缸造成损坏，对气缸密闭性以及后期工作性能均会造成影响。第二种方法在气阀位置进行开孔，将气体放入导管中，导管另一端连接压力传感器，实现压力信号的获取，该方式不会破坏气缸，但由于流程存在泄压可能，测量结果精度不高。为了保护气缸性能和使用寿命，一般都选用第二种方式进行通道构建。

②通道直径的选择。通道直径决定最终的压力获取精度，一般要求通道共振频率要大于转速的100赫兹，以求最大限度降低压力共振对压力信号造成的影响，减少压力信号的失真概率。

2.3 原因分析

（1）压缩机结构。该压缩机为三缸结构，最高压缸等级为三级。

在往复式压缩机的结构中，十字头配件是主要的承力部件，这也是损坏概率的根本原因之一。十字头承受的应力主要来自于活塞连杆的拉力以及来自水平方向的连杆压力，也存在因设备运转产生的摩擦力。十字头销受力一般是由连杆带来的水平拉力。案例中压缩机连杆通过连杆大头瓦进行定位，降低十字头的轴向摆动。

（2）故障原因分析。经过设备拆解以及检测分析，确定设备的故障原因，压缩机电机对称十字头配套部件损坏十分严重，压缩机在运行过程中十字头垫片磨损速度较快，在完全磨损后导致调整环损坏，环体残片落入设备滑道中，逐步损坏滑履，造成十字头长期在不均匀受力状态下运行，最终损坏。

目前大型往复压缩机多数都采用对连杆大头段进行固定的设计结构，以求提高系统的润滑效果以及运行稳定性。根据案例中设备的详细参数信息得知，设备电机侧一级和三级大头瓦两端间隙值较小，查阅相关文献资料以及厂家提供的参数资料可以确定该间隙满足运行标准。但非电机侧的二级间隙为13mm间隙过大，可以认定其没有进行轴向的方向定位处理。随后对两处十字头以及调整环、连杆小头瓦、调整环厚度进行测量，计算出每个调整环的间隙为0.2.因此可以通过增加调整垫片的方法减少内部摆动。

在设备运行中调整环断裂后，连杆会出现轴向无定位的现象，摆动幅度增加，运行中所受应力也不断加大，最终因磨损加剧造成了压板螺栓断裂逐步引发十字头损坏的事故。

3 处理措施

3.1 调整环优化

通过对调整环进行检测分析，得出如下结论，设备使用的调整环是球墨铸铁结构，该材料优劣势均十分明显，优势在于相比其他材料具有更高的硬度、强度，在使用中具有极强的耐磨能力，减振性能也十分优秀，不容易出现弯曲等形变，具有较强的运行稳定性以及使用寿命，但其也具明显的缺点，由于韧性较低，形变极限低，在受到较大应力时会出现断裂。因此可以优化调环的铸造材料，提高整体韧性以抗冲击能力，降低其发生锻炼损坏现象的概率，从而减少十字头损坏的事故发生。

3.2 在连杆小头瓦位置增加垫片

在对设备故障后的检测分析中发现曲拐宽度存在偏差，说明设备曲轴在加工过程存在一定的品控问题，加工整体误差较大，非电机一侧尺寸误差明显，间隙过大，导致连杆大头轴向定位出现问题，因此可以根据实际情况在连杆小头位置增加垫片，来对设备的先天缺陷进行有效弥补，提高运行稳定性，降低十字头故障的发生概率。

4 结语

往复式压缩机通过曲轴、连杆等机械结构，将电机提供的旋转动力，转换为活塞的往复直线运动，达到增加的目的。十字头在工作过程中需要承担较大的应力，承受交变载荷的作用，因此整体故障较高，本文以实际案例作为研究样本分析了常见故障以及故障的检测方法，并提出对应的解决策略，但研究层面相对狭窄，仅仅针对单一故障，没有对故障之间的相互影响进行协同分析，需要进一步分析和完善。