往復(fù)活塞式壓縮機(jī)故障機(jī)理分析

王雁飛

（山西潞安煤基合成油有限公司，山西　長治　046100）

往復(fù)活塞式壓縮機(jī)故障機(jī)理分析

王雁飛

（山西潞安煤基合成油有限公司，山西長治046100）

摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，石油天然氣等能源需求缺口不斷加大，供需矛盾進(jìn)一步突出，加快國內(nèi)外油氣資源勘探開發(fā)和提高國內(nèi)煤層氣資源利用是解決能源供需矛盾非常現(xiàn)實而有效的途徑。文章以DF-5/10-40型煤層氣壓縮機(jī)為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理，并對常見故障的機(jī)理進(jìn)行了分析，以期拋磚引玉。

關(guān)鍵詞：往復(fù)活塞式；壓縮機(jī)；故障

煤層氣田由單井采出的煤層氣需通過集氣站集氣后集中輸送、凈化處理所帶水分和固體雜質(zhì)、增壓處理等環(huán)節(jié)以滿足外輸要求。往復(fù)式壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，通過曲軸和連桿使活塞在氣缸中做往復(fù)運動來實現(xiàn)氣體的壓縮。但就目前的使用情況看，它雖屬于最原始的壓縮機(jī)之一，仍是非常通用的一種壓縮機(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)適用壓力范圍廣，不論流量大小，均能達(dá)到所需壓力；能適應(yīng)較大的壓力范圍且排氣范圍也較廣，往復(fù)式壓縮機(jī)對材料要求也不高，機(jī)身多用造價低廉的普通鋼鐵材料，裝置系統(tǒng)比較簡單，可維修性強(qiáng)；熱效率高，單位耗電量少；技術(shù)上較為成熟，生產(chǎn)上積累了豐富的經(jīng)驗。

1　往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)

該往復(fù)式壓縮機(jī)為兩級壓縮，主要由傳動機(jī)構(gòu)和氣缸組成。傳動機(jī)構(gòu)主要是指運動部件，包括原動機(jī)、曲軸、連桿、活塞等，其作用是連接基礎(chǔ)部件與氣缸部分以傳遞動力。

壓縮機(jī)的原動機(jī)為壓縮機(jī)提供能量，該壓縮機(jī)原動機(jī)為電動機(jī)。電動機(jī)與壓縮機(jī)采用三角皮帶連接傳動，這樣能減少震動提高傳動效率。曲軸是壓縮機(jī)的重要工作部件之一，它負(fù)擔(dān)傳遞全部驅(qū)動扭力。十字頭連接連桿與活塞桿，連桿是將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動通過十字頭轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動，同時將作用在活塞上的推力傳給曲軸。活塞在汽社內(nèi)往復(fù)直線運動，活塞的頭部切有裝活塞環(huán)的槽，用于安裝密封環(huán)和刮油環(huán)，從而起到密封的作用，活塞桿的尾部裝有填料函，填料函組件作用是阻止氣缸內(nèi)氣體沿氣缸與運動著的活塞桿外圓面的間隙向外泄露。機(jī)體又稱機(jī)身或曲軸箱，是安裝曲軸，缸體等部件的基礎(chǔ)零件。氣缸是活塞式壓縮機(jī)中形成壓縮溶劑的主要部件，包括缸體和缸蓋。進(jìn)氣閥和排氣閥是控制氣缸吸氣和排氣過程的部件，目前壓縮機(jī)主要采用的是隨管路壓力變化而自行開閉的自動缸。中間冷卻系統(tǒng)是保證分級壓縮達(dá)到節(jié)省功率消耗的關(guān)鍵。

2　往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理

往復(fù)式壓縮機(jī)工作時，其電動機(jī)帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，通過十字頭變成活塞的往復(fù)運動。十字頭帶動活塞桿，使活塞桿在氣缸內(nèi)隨之作往復(fù)運動。活塞在汽缸內(nèi)每做一次往復(fù)運動，壓縮機(jī)就完成一次循環(huán)運動，一次循環(huán)包括膨脹、吸入、壓縮、排氣四個過程。電機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)使壓縮氣體不斷吸入、排出。（如圖1）

A—B是膨脹過程：在A點排氣完畢后，活塞位于氣缸左止點，排氣閥關(guān)閉，曲軸旋轉(zhuǎn)角度為0度。此時壓力為排氣壓力Pd，氣缸頭端余隙內(nèi)殘留的余隙氣體膨脹，在曲軸旋轉(zhuǎn)的帶動下，活塞向右運動的同時，氣體在膨脹的過程中壓力減小，即曲線A-B段所示，活塞運動到B點時，缸內(nèi)氣體與缸外氣體達(dá)到平衡狀態(tài)，膨脹過程完畢。

B—C是吸氣過程：缸頭端氣體力減小到足以使吸氣閥打開的狀態(tài)，達(dá)到吸氣壓力Ps，從B點開始，吸氣腔內(nèi)氣體進(jìn)入缸體，曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動，活塞也隨之右行到右止點C，到達(dá)C點時，缸頭端的容積達(dá)到最大，缸頭端內(nèi)充滿氣體，吸氣完成。

C—D是壓縮過程：曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動，活塞由右止點C向左運動，這時吸氣閥關(guān)閉，隨著活塞繼續(xù)向左運動，缸頭端內(nèi)的氣體受到壓縮體積減小，壓力相應(yīng)增大。直到活塞運動到D點，缸頭端內(nèi)的氣體壓力達(dá)到排氣壓力Pd，為最大氣體壓力。

D—A是排氣過程：到達(dá)D點后，伴隨著活塞向右移動，氣體壓力增大，排氣閥在氣體壓力的作用下被頂開，氣體不斷進(jìn)入排氣腔內(nèi)，從而被排出。當(dāng)活塞運動到左止點A時，缸頭端的容積達(dá)到最小，但是不是零，因為缸頭端內(nèi)還殘留一部分氣體，此時氣體壓力是排氣壓力Pd。

壓縮機(jī)做一次往復(fù)運動的四個過程中，壓縮過程與膨脹過程都是熱力過程，吸氣和排氣過程不屬于熱力過程范疇。因為在壓縮與膨脹時，氣體的質(zhì)量沒有發(fā)生變化，只是氣體的狀態(tài)和參數(shù)改變了，屬于等溫過程、絕熱過程或者多變過程。而吸氣和排氣過程氣體的質(zhì)量發(fā)生了變化，所以是一個質(zhì)量遷移過程。

3　往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障分析

DF-5/10-40型往復(fù)式壓縮機(jī)運行過程中的故障多樣且復(fù)雜：一類是流體性質(zhì)的故障，屬于機(jī)器熱力性能故障，主要表征為壓縮機(jī)工作時排氣不足，排氣壓力溫度及級間壓力溫度的異常。一類是機(jī)械性能故障，主要表征為往復(fù)式壓縮機(jī)的過熱，振動等。往復(fù)式壓縮機(jī)故障多發(fā)的部位主要是下列三部分：①動力傳遞部分——曲軸、連桿、十字頭、活塞桿部件故障。②缸體部件——進(jìn)氣閥、排氣閥、氣社、填料、活塞環(huán)等部位的故障。③輔助部分——主要是中間冷卻器的故障。

（1）吸排氣閥漏氣往復(fù)式壓縮機(jī)中，氣閥的故障率最高，通常往復(fù)式壓：縮機(jī)有60％以上的故障發(fā)生在氣閥上。氣閥一旦發(fā)生故障，會影響到壓縮機(jī)的產(chǎn)氣量，增加功率損耗，降低可靠性。氣閥主要由彈簧、陶片、閥座、升程限制器組成；閥片在兩邊壓差的作用下開啟，在彈賛作用力下關(guān)閉，是氣閥的關(guān)鍵部件；彈賛是為了緩沖閩片與閥蓋的撞擊。

（2）活塞組件及氣缸故障此部分故障占重大事故的25％左右，填料函屬于壓縮機(jī)的密封元件，由一系列密封環(huán)組成，它一方面阻止外界氣流沿活塞桿進(jìn)入缸體內(nèi)，同時也限制氣缸內(nèi)的氣體順著活塞桿向缸外泄漏進(jìn)入大氣。填料函泄漏會使壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力下降，排氣量減少。活塞桿可能會由于疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂，而損壞活塞和氣缸，帶來人員傷亡和生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備損壞等。

（3）傳動組件和輔助部件故障傳動組件的損壞可能會造成一系列連鎖性破壞。在正常情況下，曲軸與軸承、連桿大頭瓦和曲軸銷、連桿小頭瓦和活塞桿、十字頭與滑道、活塞桿與填料等摩擦也會使溫度變高。潤滑作用和金屬的熱傳導(dǎo)作用會帶走大部分熱量，使溫度控制在正常范圍之內(nèi)。當(dāng)這些部位的溫度超過給定值，則說明可能出現(xiàn)了不正常情況，稱之為過熱。過熱會加速設(shè)備部件的損壞，嚴(yán)重了可能會燒毀摩擦表面，造成機(jī)器重大事故。冷卻水系統(tǒng)故障也會增大吸排氣溫度，從而使壓縮功增大，增加耗能量，影響排氣量。