压缩机主轴瓦脱壳烧研及解决措施

胡波，王国鹏，柴卓，徐建（沈阳远大压缩机有限公司，辽宁 沈阳 110027）

0 引言

目前各省市化工工业园项目呈井喷式增长，各石化领域所配备的“大型工艺设备”应具备必要的“稳定性”及“安全性”，又成了维护整套石化工艺运行的重中之重。往复活塞式压缩机作为石化工艺运行中的核心设备，作为整套化工设备的动力源，压缩机设计、安装、检修、维护过程中的些许疏忽将直接影响到下游化工产品的经济效益。

往复活塞式压缩机是一种通过“曲柄连杆结构”，将电能转化为气体分子势能的大型化工增压设备，其能效的转化率及运行的平稳性将直接影响到整套化工工艺的维护成本及经济效益。压缩机作为电能的转化媒介可将各类型的工艺气体组分进行二次增压并通过辅助装置传送到各类型的化工反应釜中，以满足各类型化工装置工艺反应的生产需要。

1 情况简述

1.1 现场运行情况简述

某石化公司为“增设二氧化碳流体系统输送项目”配套的卧式M 型往复活塞压缩机，此台设备作为该项目化工反应釜中的动力源，自投入工艺负载运行后屡次出现压缩机某列轴瓦温度迅速蹿升，进而导致连锁停机情况的发生。停机后整套工艺机组上、下游设备中的相关半成品原材料已经全部报废，相关经济产能直线下降，严重影响到整体化工工艺的稳定性及设备使用的安全性，且由此带来的间接经济影响无法预估。

1.2 压缩机组主要设计参数

压缩机为六列布置、水平安装、双作用四级压缩、相关机组性能参数如下：01 进气压力（Ps1）：0.140 MPa （A），02 进气压力（Ps2）：0.527 MPa （A）；01 排气压力（Pd1）：0.527 MPa （A），02 排 气 压 力（Pd2）：1.14 MPa （A）；03 进气压力（Ps2）：1.14 MPa （A），04 进气压力（Ps2）：2.52 MPa （A）；03 排 气 压 力（Pd2）：2.52 MPa （A），04 排 气 压 力（Pd2）：5.40 MPa （A）；压 缩 机 转 速：375 r/min、行程：280 mm、活塞速度3.5 m/s；标态流量：11 310 Nm3/h、机组指示功率：1 712 kW、机组轴功率：1 808 kW；机组机械效率：95%、电机转向：逆时针（从电机端视之）；各级缸径：φ710 mm、φ580 mm、φ400 mm 、φ270 mm；止点间隙：01-8±0.8、8±0.8 mm、02-4±0.4、4±0.4 mm； 03-14±1.0、14±1.0 mm、04-7±0.7、7±0.7 mm；往复惯性质量：连杆部件168.6 kg、十字头部件：190.6 kg。

2 主轴瓦脱壳烧研原因分析

（1）依据现场中控室数据对压缩机进行理论复算，验证压缩机的实际受力情况：各级进气压力MPa （A）：一级 （Ps1）1.6、二级 （Ps2）6.1、三级 （Ps3）12.8、四级（Ps4）27；各级排气压力MPa （A）：一级 （Pd1）6.1、二级（Pd2）12.8、三级 （Pd3）27、四级 （Pd4）52；气缸工作类型[-]：双作用，双作用，双作用，双作用；各级气缸数量[-]：一级-3、二级-1、三级-1、四级-1；各级工作列号[-]：一级-135、二级-2、三级-6、四级-4；各级许用极限：气体力一级400 kN、二级400 kN、三级400 kN、四级400 kN；各级实际受力：气体力一级214 kN、二级231 kN、三级228 kN、四级189 kN；各级许用极限：活塞力一级320 kN、二级320 kN、三级320 kN、四级320 kN；各级实际极限：活塞力一级129 kN、二级207 kN、三级205 kN、四级145 kN；实际反向角167°，171°，174°，172°。

小结：依据上述压缩机实际运行中的受力情况，压缩机投入工艺运行后的综合活塞力、气体力、反向载荷等相关性能数据均未超出压缩机组的额定载荷值，且依据现场各运行工况进行二次复算后可排除因工艺运行参数突变（进排气压力、进排气温度、介质组分等），进而导致压缩机实际受力超过许用范围的情况。若实际操作工况超出设计工况或频繁紧急停机，会造成机组运动部件受力超过额定值，近而产生烧瓦等情况。现场实际工况与额定工况对比可知，实际运行工况基本与设计工况一致，不存在超压运行的情况，而且也不存在频繁紧急停机的情况，因此基本可以排除操作原因而引发的烧瓦事故。

（2） 压缩机主轴瓦比压复算：该主轴瓦的材料为15/ZSnSb11Cu6，是大推力压缩机常用轴瓦材料，依据中国石化出版社出版的《滑动轴承故障诊断实用技术》中的相关说明，对重载、冲击场合的锡基轴承比压规定为20 MPa，考虑到机组的运行可靠性，设计时已要求轴瓦比压值不大于12 MPa。

本机主轴瓦比压计算过程及结果如下：

式中：Pmax为比压；Rmax为该机型轴承最大支承反力（kgf）；本机型为2 500（kgf）；d为轴承内径（cm），本机型为24（cm）；b′为轴承计算宽度（cm），对于薄壁瓦b′=b,b为轴承宽度（cm），本机型为13（cm）。

通过上述公式计算可得Pmax=8 kgf/cm2=8.01 MPa<12 MPa。

按照实际运行工况，机组最大活塞力为2 500 kgf，计算轴瓦实际比压8.01 MPa。

因此，该机组主轴瓦比压在材料许用值范围内，可满足压缩机滑动轴承的设计要求。

（3）轴系扭振分析。对曲轴部件、飞轮部件、电机主轴进行建模分析轴系扭振。根据分析结果，各阶固有频率均能避开曲轴转速频率、电源频率及旋转磁场振荡频率的共振区间，不存在扭振风险。若机组设计时不考虑扭振情况的发生，则机组在初始运行时即会出现较大振动无法开车，而不是目前现场出现的瞬时振动增大的情况。因此，可以排除由于曲轴扭振导致轴瓦烧研的可能。另外现已委托第三方机构，对曲轴扭转振动进行复算，进一步验证是否存在扭振问题。

（4）材质或制造原因。本项调查的范围：确定实际加工制造过程中是否存在问题：曲轴材质光谱分析、金相检测、光谱检测、探伤、力学性能及尺寸等检测报告如下所示。根据相关检测结果报告，曲轴的材质性能高于标准要求值，制造亦符合图纸及技术要求，可排除质量问题。

抗拉强度Rm：标准值≥685 MPa、实测值：711 MPa；屈服强度Rel：标准值≥490 MPa、实测值：526 MPa；断后伸长率A：标准值≥15%、实测值：20%；断面收缩率Z：标准值≥45%、实测值：54%；冲击功AKV：标准值≥39 J、实测值：85 J。

压缩机振动联锁停车后，为慎重起见决定对机组主轴瓦、连杆大头瓦、曲轴进行检查，发现4 副主轴瓦下瓦，六拐拐径与曲柄销过度处的圆角存有局部缺陷。经分析讨论认为此类缺陷不至于导致压缩机联锁动作停车。与此同时对压缩机的运行参数进行复查并未发现异常情况。

（5）安装原因。本项调查的范围：确定安装过程是否存在问题。

机身水平超差、轴瓦间隙过小、曲轴与电机轴对中偏差过大等安装问题都可能导致轴瓦的烧研。根据现场反馈的情况及安装记录数据，机组的水平、轴瓦的间隙等均在技术要求范围内，故由于安装原因导致轴瓦烧研的可能性较小。

（6）润滑情况。如果供油压力不足，将导致润滑油膜压力不够、轴瓦润滑不良，轴瓦与曲轴摩擦热量急剧升高，轴瓦发生热膨胀，间隙消失，最终造成轴瓦与轴径烧研。

根据润滑油压力记录曲线，8 月31 日故障时油压最低压力为0.284 MPa，低于规定的供油压力0.35 MPa（未达到辅助油泵自启压力0.27 MPa），且油压停机联锁值为0.2 MPa，正常情况不会导致轴瓦烧研。但由于烧研的六轴属于供油管线的末端，该位置实际油压将低于0.284 MPa，长期运行对轴瓦的使用寿命将有一定影响，建议将供油压力值调整值0.35～0.4 MPa，保证各润滑点供油充足。

（7） 液击。本项调查的范围：判断轴瓦烧研是否为液击原因造成。

由于液体不可压缩的特性，当压缩机介质带液量过大时，液体无法被工艺气及时带出气缸，就会造成液击进而造成机组超载，导致烧瓦及运动部件连接位置损坏。据现场反馈，在拆检过程中，发现出现事故的6 列（二级）气阀部位有明显锈迹及水印痕，故应不排除发生过液击的可能。另外，根据机组的振动曲线，机组不定期的会出现振动值增大的现象，此种情况也完全符合气缸内有少量液体发生撞击的特征。通过核对额定工况的介质组分，并重新采用HYSYS 模拟计算，确认在设计工况下工艺介质中并不带液，压缩过程也不会有液析出。因此，需贵公司核实操作工艺是否发生变化，入口的工艺介质是否带液，进一步排查是否发生过液击的可能。

（8）机组运行环境改变。该压缩机投入工艺运行后出现机身振动超差又瞬间回落的现象（无规律状态）。运行至8 月底出现烧瓦情况后，曲轴返厂检测时发现三轴、四轴存在弯曲0.16 mm，六拐平行超差近0.2 mm 的情况。经我公司评估后认为六拐可采用通过“激光熔敷”或“磨轴径”的方式进行修复处理，但三轴、四轴无法进行强制校直修复，且此曲轴存在隐患仅可短期运行。因修复周期紧张且采用“磨轴径”方法时间较长且不便于配件管理（磨轴后主轴瓦与连杆大头瓦不能通用），后经双方商议后采用“激光熔敷”的方法对此曲轴进行修复。根据当时曲轴损伤情况分析为主电机在运行过程中基础相对位置发生变化，进而导致机组在运行期间压缩机基础与电机基础存在相对落差，造成曲轴轴线与电机轴线对中数值超差，压缩机长期在此情况下运行，将产生较大附加偏心力导致曲轴摆动并撞击主轴瓦和连杆大头瓦，造成曲轴变形。9 月底现场回装时复检曲轴与电机对中情况，发现电机下沉0.12～0.15 mm，印证了前期结论。故可推断由于运行过程中电机位置的异常变化导致了曲轴受力变形从而造成烧瓦的可能性较大。另9 月底曲轴修复后在现场回装时，测量电机轴伸端距飞轮端面距离约为32 mm，但定位盘厚度为30 mm。由于压缩机曲轴轴向定位间隙约为0.5 mm，此种情况将导致压缩机在往复运行中曲轴受到一定的拉力作用，造成曲轴定位瓦端面在长期运行中承受挤压力，致使定位瓦温度升高，影响轴瓦的使用寿命，严重时将导致烧瓦。所以下次安装时应重新调整定位盘厚度，避免发生设备故障，目前已将定位盘发至现场，但厚度有一定余量，安装时根据实际数据进行调整。

综上所述，造成压缩机主轴瓦脱壳烧研的根本原因为压缩机组运行环境改变—电机基础下沉，进而导致电机轴与压缩机轴的对中数据已严重偏离设计最大许用值，进而导致压缩机实际运行时曲轴并未按应有的运动轨迹进行旋转运动，主轴瓦隙不能正常形成润滑冷却的油膜甚至会出现无油干磨，故主轴瓦在此运行环境会出现脱壳烧研的情况发生。

3 解决方案

此类故障已直接缩短了压缩机的使用年限，为从根本上解决问题。已对压缩机的主要运行部件进行逐项检查，并经多方协商后已更换压缩机的受损曲轴部件、受损连杆部件，并将压缩机基础受力面、电机基础受力面重新刨除后进行二次灌浆养生以确保压缩机基础不再出现下沉。现已调整电机高度，重新“对中”并满足机组使用说明书中的相关技术要求，另根据现场情况，另要求每运行6 个月重新检测“对中”值，避免因电机位置异常而导致压缩机组故障。目前压缩机已经投运工艺工况条件平稳运行，所有相关参数均可满足使用要求。

与此同时对维修过程中发现的其他问题也均逐项解决并将相关关键点进行对接：（1）为了消除干扰信号造成振动检测仪表误报警，我公司将增设现场机组测振仪表屏蔽罩。但此屏蔽罩只能对干扰信号起到一定的消减作用，不能完全屏蔽，故仍要求在振动变送器2 m 范围内禁止使用对讲机、手机等通讯设备。在现场应在合适位置对测振仪表电缆进行固定，避免外界环境干扰，保证测量精确度。增设振动联锁停机延时功能，将振动联锁设置为延时2 秒停机，进一步避免由干扰信号导致的机组误联锁问题。（2） 压缩机开车前请将机身油池加热器抽出清洗，避免加热器内部有结焦物污染油品质量。（3）调整定位盘厚度，避免电机位置异常而导致压缩机组故障。（4） 对1-6 列十字头与连杆油孔进行通透清洁处理，防止之前烧瓦脱落的钨金等残留在油孔内，排除安全隐患。（5）检测机组上游工艺系统，并核实工艺介质组分避免存在液击的隐患。（6）至少每三个月对润滑油进行取样检测，如果润滑油中的杂质颗粒含量超则应立即更换。

4 结语

针对此某石化厂二氧化碳压缩机频繁出现主轴瓦脱壳烧研的故障，经双方几个月来的多方面事故分析及综合评定，现已从根本上解决了现场的实际问题。目前已经将全部的压缩机注意事项及后续的问题分析报告进行多方沟通交底，此类故障再无发生。“千里之堤，毁于蚁穴”，小的疏忽往往会导致不可预见的大问题，进而影响整个工艺流程的经济效益。