氯甲烷往复式压缩机故障原因分析及改进措施

2022-08-24余晓霞

化工机械 2022年3期

胡锦周强余晓霞杨东李刚

（宁波巨化化工科技有限公司）

某公司氯甲烷工艺气体压缩机的工况为容积流量46 m3/min，进口压力0.05 MPa，排气压力0.80 MPa，氯甲烷压缩工艺作为该生产装置的核心工艺，压缩机的安全、稳定运行是装置运行水平的风向标。工艺要求被压缩工艺气体中绝对无油，加上工艺气体流量较小，压缩比较大，受限于压缩机生产技术水平和投资成本，故在项目建设初期选用了往复式压缩机［1］，该项目往复式压缩机自投用以来，先后暴露出管道共振、填料泄漏等问题，笔者和企业工程技术人员一起对此机型现状进行分析并做出相应改进，使其能够达到安全稳定长周期运行的目的。

1 往复式压缩机现状

笔者结合实际情况将该往复式压缩机的运行现状列举如下：

a. 故障检修频率较高。该往复式压缩机投运伊始，连续运行周期仅为2 000～4 000 h，气阀拆检、清洗、更换阀片，检查更换填料、活塞环、支撑环等小修检修频次为每年2～3次；主轴瓦、连杆瓦磨损失效更换频次为每年1～2次。随着投用时间的增加，压缩机大、中、小修的频次越来越高，每年的检修费用为15～20万元，严重影响装置的稳定生产。

b. 设备、管道的泄漏较多。往复式压缩机采用填料密封，随着运行时间的推移，泄漏量逐渐变大，且泄漏量难以量化，泄漏较大时泄漏气氮封效果不佳，工艺气直接泄漏至主轴箱，从主轴箱的呼吸阀外泄，造成较大的安全隐患。机身主轴箱密封面、主轴箱与中体接缝渗油现象较普遍，此漏油处理难度大，消漏需拆除曲轴、活塞及气缸等关键部件，消漏费用较高。此外，油路、气路管线的测压、测温点多采用螺纹接口，在运行过程中，机组周围油的泄漏点较多且频繁，造成机组面貌差，维护难。机组运行会有一定的振动，部分气路测温、测压点长时间运行会有松动渗漏的现象。

c. 变频调节适用范围小。因氯甲烷工况生产负荷波动较大，其中两台选用变频控制，用于应对负荷调整时，降低压缩机的能耗。压缩需采用变频控制，能很好地实现负荷在60%～100%范围可调，压缩机经济性能较好。但另外大流量工况的较大功率的压缩机，由于大功率低转速电机变频驱动引起往复式压缩机吸排气有波峰、波谷值，只能靠飞轮矩平衡电网波动，越大功率驱动的飞轮直径也越大，且压缩机反向角太小，润滑效果不好导致使用寿命短。变频成本远高于实际使用价值，设备变得复杂，后期维护成本高。

d. 压缩机使用初期，由于支架安装质量和管道共振引起压缩机振动超标，密封垫松动泄漏点较多，压缩机寿命比较短。

2 故障分析及改进措施

2.1 检修频率高的原因分析及改进措施

为保证往复式压缩机的运行状况良好，需在设计阶段进行设计优化，制造阶段把控各部件的加工细节，安装阶段规范施工，为降低往复式压缩机振动提供有力保障，达到降低往复式压缩机故障检修频率的目的。为降低检修频率，笔者围绕降低往复式压缩机振动从设计、安装、使用维护方面进行原因分析及改造。

2.1.1 设计阶段

该往复式压缩机通过往复运动进行气体压缩，在吸气、压缩、排气的过程中，压缩机排气存在脉动现象，在设计、安装过程中如果没有将其减弱、消除，压缩机管路、机身的振动会非常大，在项目投用初期，由于共振导致管路振动达到4.8 mm/s。过大的管路振动导致压缩机机身振动，压缩机运行寿命严重受到影响。经分析，压缩机管路的振动由其本身的排气脉动引起，针对这一振动源，在设计阶段必须进行管路脉动分析，严格根据脉动分析的结果进行管路应力分析。在现场配管时，现场管路支撑、管路支撑型式等严格按照设计图纸规范施工，利用专用沉台和重型管夹将振动源处进行固定，对振动叠加点采用了弹簧支吊架缓振。通过这一系列的措施，管路振动可大幅降低，机身的振动也能得到有效控制。

2.1.2 现场安装阶段

施工质量把关不严、配管应力集中等安装质量问题也是影响压缩机寿命的因素之一。往复式压缩机安装时一次找正、二次找正、联轴器对中、主轴瓦安装及连杆瓦安装等均需根据相关规范和制造商要求执行。

配管应力问题常被忽略，无论往复式压缩机还是离心式压缩机均需进行无应力配管，压缩机组进出口管线接管安装质量的好坏与机组本体的质量精度密切相关，在进出口接管施工后，接管装配应力过大会导致联轴器同心度出现偏差，偏差过大时易引起机组的振幅超标、轴承过热，严重时可导致压缩机损坏。因此，为使接管及组对焊接无任何外力作用在机组本体上，应实行无应力接管，即严格控制压缩机接口法兰安装的平行偏差、间隙均在规范限定的范围内，这对确保压缩机组的安装精度，保证压缩机运行时无附加应力，起到了至关重要的作用［2，3］。

2.1.3 使用维护

往复式压缩机使用过程中，如果使用维护和点检不到位，不能及时发现隐患，直到压缩机故障跳机或无法运行时再停机检修的话，检修费用高，检修周期也很长，尤其是部分故障对压缩机的部件损伤大，如气缸严重磨损、主轴瓦损坏严重及主轴受损等致命性故障严重影响到压缩机平衡，压缩机通过检修，难以达到最佳运行点，无法保证压缩机稳定运行。因此，对压缩机主轴箱、各级气缸等几个关键部位增加了在线测振仪，实时监测压缩机运行振动加速度、速度、位移、波形和频谱（图1为手机端显示画面），同步将轴瓦温度、气缸温度及振动速度值等数据上传分析，并绘制趋势图等，可进行数据分析判断压缩机状态，做好预防性维护、检修等工作。

图1 手机端振动数据监测

运行维护和点检时压缩机油品的好坏对轴瓦等关键摩擦副影响很大，在日常设备管理中，引入某公司专业管理咨询团队，对润滑油管理的油品存放、进油五定三过滤、加油点标识、润滑油斑点法测试、油桶出油干燥器检测等润滑油管理各个过程进行了标准化管理，同时定期进行油品分析，严控润滑油中的水分、黏度、pH值、残炭、机械杂质和金属元素等关键指标，确保压缩机轴瓦和滑道部件能够有效润滑，最大可能消除磨损引起的设备故障［4］。

在对原有往复式压缩机加以改造的前提下，对后续新项目订货的往复式压缩机曲轴采用全平衡设计（图2）。传统往复式压缩机主轴两侧的连杆前后存在位差，不在同一轴线上，主轴带动连杆运动时，两连杆带着十字头在主轴的两侧一前一后做往复运动，这样主轴存在较大的扭矩，主轴瓦、连杆瓦均受到不同程度的应力，经过一段时间的运行后，主轴瓦、连杆瓦出现磨损，压缩机主轴瓦、连杆瓦的工作寿命一般为4 000～8 000 h，压缩机难以保证长周期运行。而将连杆设计为全平衡连杆时，主轴两侧的连杆在一条线上，且经过精确设计计算，主轴两侧的配重基本一致，压缩机的运行振动或比以往的成倍减少，且转速可提升，最高转速达1 900 r/min，降低压缩机振动提高压缩运行时长的同时，压缩机效率也得到提升。整体机身的设计，可以较好地保证主轴度的同时，机身各部件受热应力变形的影响较小，压缩机的振动可大幅降低。

图2 全平衡设计曲轴

2.2 泄漏点较多的原因分析及改进措施

往复式压缩机自投用以来，泄漏问题是一大难题，填料泄漏、隔离室氮气耗气、润滑油的泄漏等，直接影响到生产安全、现场面貌及检修费用等。填料泄漏是活塞压缩机特有的泄漏形式，压缩机运行时，活塞向曲轴箱方向运动，高压气体进入填料盒。填料环在气体力的作用下形成3个密封面：径向环端面与切向环端面贴合形成密封面、切向环内表面与活塞杆表面贴合形成密封面、切向环端面与下一级填料盒端面贴合形成密封面。这3个密封面共同作用，阻止气体泄漏。活塞反向运动时，气体通过径向环的切口间隙流回气缸［5］。但随着运行时间的增长，压缩机的活塞杆、填料磨损严重，泄漏量就会随之增加，泄漏量较大，对物料造成浪费的同时，安全生产无法保证。

针对泄漏量大的往复式压缩机，分析其原因主要为填料处温度高达106 ℃，针对这一情况，对填料盒进行改造，增加水冷以降低填料运行温度，延长填料的使用寿命；增加填料氮封，通过压力平衡，减少工艺气体的泄漏量；在填料氮封气漏气管设置测温点，通过温度变化判断填料泄漏量。此外严格控制压缩机活塞杆跳动量，跳动量控制在API 618规定和压缩机厂家运行的范围内。通过这一系列的改造，在不改变原填料结构的基础上，填料的漏气量达到万分之五左右。

氮气也是往复式压缩机的一个高消耗气体，原有压缩机为双隔离室结构，氮气流程简图如图3所示。填料密封氮气①进入填料盒起密封作用，泄漏的填料密封氮气和泄漏物料气通过泄漏气回收口⑤安全排放至尾气系统；减压后氮气③进入中间隔离室起氮封作用，少量的泄漏氮气通过隔离室填料泄漏至两侧腔体；减压后氮气②进入隔离室起安全隔离作用，通过隔离放空口④直接排放至尾气系统；这种结构的氮气②属于直排气，一旦投用就一直有氮气源源不断地往尾气系统排放，常年耗气量比较大。

图3 原压缩机氮气密封气流程图

经过对氮气密封气密封流程和隔离室填料密封结构稍作改进（图4），减压后氮气②进入隔离室填料盒，填料对氮气起到密封作用，少量的泄漏氮气通过隔离放空口④排放至尾气系统；这一改进措施，大幅减少了氮气系统的泄漏量，节约生产成本的同时，降低了尾气处理的压力。

图4 改进后压缩机氮气密封气流程图

对于主轴箱密封面、中体密封面，以往的压缩机采用青稞纸、密封胶的形式密封，但这些密封部位的密封面粗糙度低远达不到密封的要求，经过反复检修，漏油的部位依然存在，且检修周期长，检修费用较高。针对此问题，对主轴箱、中体密封面漏油处结构形式进行改造，在密封面加工O形圈密封槽，采用O形圈密封，有效解决了压缩机泵体漏油的现象，在压缩机一个大修周期内，漏油点几乎为零。

气、油管路漏气、漏油处多为测温、测压点的螺纹连接处。螺纹密封本来可靠性差、压缩机运行带有振动，加速螺纹连接处泄漏，测温点增加套管、套管与管道焊接，能较好地根除泄漏问题，但对于测压点的泄漏点，本公司设备专业管理团队经过多次消漏尝试，如打密封胶、加密封垫等效果均不佳，运行一段时间后均有渗漏出现。后期与密封厂家、压缩机厂家等交流，经过多次改进采用加厚紫铜垫+油麻+厌氧密封胶的密封形式，加厚紫铜垫可以补偿螺纹加工的偏差，油麻和密封胶防止油的分子级渗透，这在压缩机系统的消漏取得了较好的效果，达到了现场无泄漏的管理目标。