往复压缩机曲轴磨损故障案例分析

李迎丽，王绍鹏，毕泗春，李雯雯

（中国石油安全环保技术研究院有限公司，北京 102200）

0 引言

在当今石油化工企业中，往复压缩机作为主要的加压设备被广泛使用。其工作的主要原理是，活塞通过往复运动使缸体内容积发生周期性变化，最终实现缸内气体的增压和输送的一种容积型压缩机。曲轴作为往复机工作的主要部件，电机轴驱动其将转动状态传递到压缩机、进而驱动连杆，使之成为往复循环运动，实现往复压缩的工作状态。

1 往复压缩机主要部件

往复压缩机的主要部件及辅助系统，包括往复机机身、曲轴及连杆、十字头、接筒、各级气缸、活塞、盘根、气阀、刮油环、气体管路、水路系统、润滑油路系统和气缸、填料注油系统等。

（1）机身是往复机的主要部件，包括曲轴箱与中体两部分。十字头滑道分布在中体的两侧，为方便日后检修拆装，把顶部设置为开口式，而且滑道两侧开孔，方便检修。顶部添加盖板安装呼吸阀，保持与大气互通。润滑油是保证机组长周期运行的保障，也储存在机身下部。

（2）连杆的作用是连接活塞和曲轴，把活塞顶部的压缩气体压力传递给曲轴，使直线运动转化为曲轴的回转运动，达到输出功率。

（3）十字头是连接活塞与连杆的零件，具有导向作用。在长期使用中如果发现以下情况应及时更换：①滑板与机身滑道磨损超差；②合金层脱落，离层、拉成沟痕；③本体有裂纹，存在制造缺陷；④连接法兰有损坏；⑤十字头销孔磨损等。

（4）各级气缸由缸座、缸体、缸盖3 个部分组成，不同的压缩方式、气缸的分布方式有不同的分类：按活塞在气缸内的作用方式可以分为单作用、双作用和级差式；按在气缸内受到压缩的方式，可以分为单级压缩和多级压缩；按气缸是否用油润滑，分为有油润滑和无油润滑两种；按气缸的布置方式，可以分立式结构和卧式结构两种。气缸水平分布于曲轴的两侧，为对动型往复压缩机。

（5）活塞。往复压缩机主要通过活塞在气缸内作往复运动来压缩和输送气体，所以活塞在机组的工作中有非常大的作用。活塞主要是由活塞本体、活塞杆、连接螺母、活塞环、支承环组成：活塞环用来密封介质，支撑环用来支撑活塞本体，而活塞杆为进行了表面硬化的锻钢件，具有非常高的耐磨性，能长时间运行而不损坏。

（6）盘根由多组碳环构成。碳环有非常好的润滑性及导热性，且自身的摩擦系数很小，有不伤轴等优点。根据不同的要求，可采用碳纤维、铜丝、304、316L、茵苛镍合金丝等进行补强。

（7）气阀是往复压缩机中用来控制气体进出的部件，由阀座、阀片、弹簧与升程限制器组成。阀片之间的升程高度决定了气体通道的大小，气阀的工作性能将直接影响压缩机气缸的工作。

（8）刮油环分为普通油环和组合油环两种，一般每个活塞上采用1～2 道刮油环。普通油环由合金铸铁制成。

2 往复压缩机工作原理

往复式压缩机工作过程简单的分为膨胀、吸入、压缩和排气4 个过程，每往复做功一次都有吸气和排气的过程：当活塞移动时，缸体内气体所在空间变大，压缩的气体介质本身的压力降低，当降到小于气阀进气压力时，介质气体就压开进气阀一并进入气缸，一直到活塞移动到死点之前不停进气；当活塞反向移动时，缸体内气体所在空间变小，这是一个压缩过程的开始。由于吸气阀和排气阀都是单向阀，所以不存在倒流回缸体内的现象，且出口管中气体压力又高于气缸内部的气体压力，缸内的气体也无法从排气阀窜到缸体外。由于缸体内部的压缩介质总量是固定的，但随着活塞的不断运动，缸内的气体空间逐渐减小，所以被压缩气体的压力将升高。当升高到大于出口管中的气体压力时，气体顶开排气阀冲出，直到活塞移动到死点。这一过程是不断重复的，所以压缩气体被不断地被吸入和排出，循环往复。

3 曲轴磨损故障的主要现象及原因

（1）椭圆形磨损。曲轴轴颈磨损极其不均匀，主轴颈与连杆轴颈会造成椭圆形磨损，且磨损最严重的地方都是靠近连杆轴颈的一侧；由于作用力是相互的，所以连杆轴颈磨损最严重的地方也是靠近主轴颈的一侧，相互对应。

（2）锥形磨损。由于润滑油质量存在问题，如含有杂质等。往复机正常工作时，曲轴进行圆周运动，在离心力的作用下，润滑油中的杂质会被不断地堆积在某一侧（通向连杆轴颈的润滑油油道是倾斜的），使这一侧的磨损速度远大于其他方向的磨损速度，最终形成锥形磨损。此外，如果各曲轴瓦不在一条中心直线上，也会由于受力不均会使轴颈形成偏磨。

（3）其他故障。除了上面两种磨损情况之外，轴颈表面还会有轻微擦伤与烧伤的情况发生。

由上述分析可知，曲轴磨损的主要原因有以下6 个：①瓦间隙过大；②瓦间隙偏小，或各曲轴瓦不在一条中心直线上；③连杆活塞组或曲轴平衡铁及飞轮不平衡；④润滑油质量差；⑤曲轴本体存在制造缺陷或有变形；⑥整体机组的基础下沉。

4 曲轴磨损案例分析

2018 年7 月26 日，C1102C 压缩机组检修完毕，机组润滑油系统投运正常（图1）。压缩机在空负荷试运时，发现三级缸无级气量调节系统吸气状态下不是零负荷。

图1 机组概貌

停机后联系供应商进行检查：2018 年7 月30 日，无级气量调节系统调试合格；7 月31 日，C1102C 压缩机组投运；8 月2 日15:00，机组在运行大约50 h 后，因机组发出巨大的撞击声，同时主轴承温度快速上升，将C1102C 切换至C1102D 运行。

现场检修人员将C1102C 解体，发现所有主轴颈和曲轴径轴瓦烧研（图2）。其中，三级曲轴瓦损坏最严重，其余两幅曲轴瓦磨损情况相对较轻，全部主轴瓦磨损。根据轴瓦损坏现象，判断轴瓦损坏原因为轴瓦加工质量有缺陷，油槽根部未加工圆角，形成应力集中，在往复重载荷下开裂。故障轴瓦是2016 年8 月机组改造期间由沈阳远大压缩机所配制的非标准轴瓦，对应的曲轴轴颈为329.5 mm。

图2 曲轴箱振动历史比较

根据各轴瓦损坏情况对比，损坏最严重的轴瓦是三级连杆大头瓦，可以判断三级连杆大头瓦是最先损坏的。熔覆层硬度是母材硬度的70%左右，未达到熔覆层金属的硬度要超过母材硬度80%的要求。三级曲轴瓦损坏后，造成润滑油系统压力急剧下降，一部分润滑油从三级曲轴瓦处流回油箱，全部主轴瓦、曲轴瓦处润滑油流量、压力都有所下降，轴颈与轴瓦间油膜遭到破坏，造成轴瓦、轴颈全部磨损，润滑油温度明显升高。

根据以上振动特征征兆得出判断，压缩机组发生强烈振动的主要原因是曲轴磨损。现场机组窗口检修时发现曲轴磨损（图3）。

图3 主轴瓦和主轴磨损