ZW－27／2－8.8型氮?dú)庠鰤簤嚎s機(jī)活塞的改進(jìn)

孫傳工

（大連西太平洋石油化工有限公司，遼寧 大連 116600）

我公司空分裝置現(xiàn)有兩臺(tái)ZW－27／2－8.8型氮?dú)庠鰤簤嚎s機(jī)，擔(dān)負(fù)著全廠低壓氮?dú)獾妮斔凸ぷ鳎\(yùn)行狀況關(guān)系著全廠的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。這兩臺(tái)壓縮機(jī)投用以來(lái)，故障率比較高，故障現(xiàn)象主要是活塞環(huán)嚴(yán)重磨損和破碎、活塞環(huán)槽嚴(yán)重?fù)p傷、氣閥損壞、填料發(fā)熱泄漏等，不但維修工作量大，維護(hù)費(fèi)用居高不下，更重要的是對(duì)公司的安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成威脅。

壓縮機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：

型號(hào)：ZW－27／2－8.8

型式：立式，兩列，一級(jí)，雙作用，水冷，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)

潤(rùn)滑方式：無(wú)油潤(rùn)滑

壓縮介質(zhì)：氮?dú)?/p>

排氣量：26.96m3／min（吸氣狀態(tài)）

吸入壓力：0.196MPa（濾清器前）

排氣壓力：0.883MPa

進(jìn)氣溫度：12℃

排氣溫度：136.5℃

氣缸直徑：370mm

活塞行程：180mm

轉(zhuǎn)速：490r／min

軸功率：260.5kW

1 活塞的工作原理

活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)與進(jìn)排氣閥的配合，完成對(duì)氣體的膨脹、吸氣、壓縮、排氣的過(guò)程。活塞利用其圓柱外側(cè)槽內(nèi)安裝的活塞環(huán)密封氣缸兩側(cè)的氣體壓差。活塞環(huán)嵌于活塞的環(huán)槽內(nèi)，工作時(shí)外緣緊貼氣缸內(nèi)壁，背向高壓氣體一側(cè)的端面緊壓在環(huán)槽上，實(shí)現(xiàn)密封。

活塞環(huán)須具有初始彈力，才能使活塞環(huán)外緣緊貼氣缸內(nèi)壁，形成密封，所以活塞環(huán)內(nèi)側(cè)一般要設(shè)置一個(gè)彈力環(huán)。為了獲得足夠的彈力，活塞環(huán)需設(shè)有開(kāi)口，而氣體能夠通過(guò)切口泄漏，所以一般需要多道活塞環(huán)同時(shí)工作。氣體通過(guò)每道環(huán)都要產(chǎn)生一次節(jié)流作用，從而達(dá)到減少泄漏的目的，活塞環(huán)的密封是阻塞密封和節(jié)流密封的組合。

無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)為了避免活塞體與氣缸壁直接接觸，還要在活塞上安裝具有自潤(rùn)滑性質(zhì)材料的導(dǎo)向環(huán)。

2 活塞部件故障分析

通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)的多次檢修工作總結(jié)出：此型壓縮機(jī)的主要故障根源是活塞部件的使用壽命太短。

活塞體材質(zhì)為鑄鋁；活塞導(dǎo)向環(huán)為不開(kāi)口、無(wú)導(dǎo)流槽的形式，材質(zhì)為PTFE；活塞環(huán)采用內(nèi)側(cè)帶突臺(tái)的兩片軸向組合式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為PTFE，兩片組合環(huán)之間有定位銷防止周向錯(cuò)位；塞環(huán)內(nèi)側(cè)采用金屬（3Cr13）彈力環(huán)提供初始彈力；氣缸與活塞為無(wú)油潤(rùn)滑。

活塞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 活塞結(jié)構(gòu)示意圖（改進(jìn)前）

活塞部件的故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：

1）運(yùn)行使用周期短，一般運(yùn)行三個(gè)月左右，活塞環(huán)即產(chǎn)生明顯磨損，壓縮機(jī)排氣溫度逐漸升高至150～160℃，超過(guò)報(bào)警值，同時(shí)排氣量降低；

2）活塞環(huán)外緣磨損嚴(yán)重且不均勻，活塞環(huán)斷裂情況比較普遍，氣缸和排氣管線內(nèi)有大量活塞環(huán)磨損產(chǎn)生的黑色粉末；

3）活塞環(huán)內(nèi)側(cè)夾持彈力環(huán)的凸緣部分在使用中容易破損，產(chǎn)生的碎片會(huì)造成氣閥失效。

4）兩片組合活塞環(huán)間的定位銷易脫落，卡住氣閥閥片；

5）活塞上的活塞環(huán)槽兩側(cè)壁由于金屬?gòu)椓Νh(huán)的反復(fù)撞擊，易發(fā)生剝落損傷使環(huán)槽尺寸不規(guī)則變寬，脫落的鋁屑會(huì)加速活塞環(huán)磨損，并使進(jìn)排氣閥失效。

根據(jù)活塞部件的故障現(xiàn)象和發(fā)生規(guī)律，分析故障產(chǎn)生的原因主要是：

1）金屬?gòu)椓Νh(huán)彈力過(guò)大且不均勻。彈力如果過(guò)大，會(huì)使活塞環(huán)與氣缸壁接觸部分的比壓過(guò)高，使活塞環(huán)與氣缸壁間的磨擦力過(guò)大，造成活塞環(huán)磨損過(guò)快。

2）金屬?gòu)椓Νh(huán)的重量過(guò)大，在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力作用下，金屬?gòu)椓Νh(huán)對(duì)PTFE活塞環(huán)的內(nèi)側(cè)凸緣反復(fù)撞擊造成活塞環(huán)內(nèi)側(cè)凸緣破損。

3）活塞環(huán)內(nèi)側(cè)凸緣破損后，金屬?gòu)椓Νh(huán)便會(huì)直接反復(fù)撞擊到活塞環(huán)槽的兩側(cè)壁，造成鋁制活塞環(huán)槽壁疲勞脫落，使活塞環(huán)槽變寬，活塞環(huán)密封失效，活塞體報(bào)廢。

4）活塞槽壁受金屬?gòu)椓Νh(huán)反復(fù)撞擊產(chǎn)生的鋁屑，散布在氣缸內(nèi)會(huì)加速活塞環(huán)磨損，并造成氣閥頻繁損壞。

5）采用的PTFE活塞環(huán)材質(zhì)不良，在氮?dú)猸h(huán)境中自潤(rùn)滑性能差，磨損比較快，并且磨損產(chǎn)生的黑色粉末影響壓縮機(jī)填料、氣閥的使用壽命，甚至對(duì)系統(tǒng)后續(xù)的中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)造成不利影響。

3 活塞部件的改進(jìn)辦法

根據(jù)上述故障分析，考慮必須從活塞環(huán)和彈力環(huán)入手解決問(wèn)題。

拆解檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)氣缸和管路內(nèi)的大量黑色粉末就是活塞環(huán)磨損產(chǎn)生的。黑色粉末的存在，使活塞環(huán)自潤(rùn)滑性能被破壞，加速活塞環(huán)的磨損。

此型壓縮機(jī)采用無(wú)油潤(rùn)滑的氣缸，活塞環(huán)和活塞導(dǎo)向環(huán)的材質(zhì)為填充聚四氟乙烯（PTFE），是一種具有自潤(rùn)滑性質(zhì)的材料。其自潤(rùn)滑機(jī)理是：依靠填充聚四氟乙烯與對(duì)應(yīng)金屬表面初磨合時(shí)，在金屬磨擦表面涂粘一層極薄的由聚四氟乙烯分子為主形成的自潤(rùn)滑薄膜。這種自潤(rùn)滑膜的一旦建立之后，潤(rùn)滑狀況就得到改善，填充聚四氟乙烯活塞環(huán)與氣缸壁的磨擦面就處于填充聚四氟乙烯分子間的相對(duì)磨擦，磨擦系數(shù)大大降低，僅會(huì)出現(xiàn)微量穩(wěn)定的磨損。如果這種薄膜一旦被破壞，就會(huì)造成活塞環(huán)與金屬氣缸壁面直接干磨擦，磨擦系數(shù)大，發(fā)熱量高，活塞環(huán)的磨損加快。

根據(jù)填充聚四氟乙烯的自潤(rùn)滑特性和活塞故障產(chǎn)生原因，主要考慮從以下幾個(gè)方面來(lái)改善活塞環(huán)的工作狀態(tài)。

1）改善填充聚四氟乙烯活塞環(huán)材料質(zhì)量。

2）保證氣缸壁表面粗糙度，應(yīng)達(dá)到Ra0.8。

3）降低彈力環(huán)的彈力。

4）降低彈力環(huán)的重量。

具體改進(jìn)措施：

1）活塞環(huán)的材料改善可以通過(guò)選擇性能比較好、質(zhì)量更穩(wěn)定的賀爾碧格公司產(chǎn)品來(lái)替代。

2）氣缸內(nèi)壁進(jìn)行精加工處理，保證表面粗糙度達(dá)到Ra0.8的技術(shù)要求。

3）對(duì)于彈力環(huán)，一方面要降低彈力，另一方面要解決金屬?gòu)椓Νh(huán)對(duì)鋁制活塞環(huán)槽的損傷嚴(yán)重的問(wèn)題，所以綜合考慮取消金屬?gòu)椓Νh(huán)。

活塞環(huán)必須具有初始彈力，才能使活塞環(huán)外緣緊貼氣缸內(nèi)壁，形成密封。金屬?gòu)椓Νh(huán)取消后，具有切口的整體式活塞環(huán)要具有彈力，在自由狀態(tài)時(shí)，其各部分的曲率半徑應(yīng)大于氣缸半徑，彈力的大小與曲率半徑的大小有關(guān)，所以選擇合理的曲率半徑可以使活塞環(huán)具有初始密封能力。

取消金屬?gòu)椓Νh(huán)，采用有切口的整體式活塞環(huán)，這樣不但簡(jiǎn)化了活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)而且避免了金屬?gòu)椓Νh(huán)對(duì)活塞環(huán)槽壁的損傷。經(jīng)過(guò)核算，所選用活塞環(huán)材料的彈力可以滿足活塞環(huán)與氣缸壁初始密封的需要。同時(shí)還應(yīng)增加一道活塞環(huán)，以保證更好的密封效果。

4）原導(dǎo)向環(huán)為不開(kāi)口、無(wú)導(dǎo)流槽的形式，更換時(shí)需要熱裝，為檢修帶來(lái)不便。所以改為有開(kāi)口、有導(dǎo)流槽式導(dǎo)向環(huán)。

活塞改造后結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 改造效果

圖2 活塞結(jié)構(gòu)示意圖（改進(jìn)后）

經(jīng)過(guò)改造，壓縮機(jī)的運(yùn)行溫度、壓力等各項(xiàng)參數(shù)全部達(dá)到額定要求，排氣溫度比改造前正常工作溫度降低5～10℃，氣缸填料溫度降低約10℃。壓縮機(jī)活塞環(huán)的使用壽命由三、四個(gè)月延長(zhǎng)至三年以上，進(jìn)排氣閥的使用壽命由三、四個(gè)月延長(zhǎng)至一年以上。兩臺(tái)壓縮機(jī)全部達(dá)到連續(xù)運(yùn)行3年而活塞部件無(wú)損傷。另外，由于改進(jìn)后活塞環(huán)磨損程度低，氮?dú)夤芫€內(nèi)的黑色粉末不再產(chǎn)生，其后續(xù)的中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)運(yùn)行周期也明顯增長(zhǎng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

此次對(duì)兩臺(tái)ZW型氮?dú)鈮嚎s機(jī)活塞的成功改造，使壓縮機(jī)能夠滿足石油化工生產(chǎn)長(zhǎng)周期安穩(wěn)運(yùn)行的要求，維護(hù)費(fèi)用大幅度降低，成功地經(jīng)驗(yàn)對(duì)同系列壓縮機(jī)的改進(jìn)提供了有益借鑒。

［1］ 郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000